方占萍

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

隨著時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異。在技術(shù)的支持下，軟體機(jī)器人孕育而生。制作軟體機(jī)器人材料有很多，如SMA[1]、硅膠等。運(yùn)用這些材料可通過柔性方法讓機(jī)器人改變尺寸結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，這種機(jī)器人更加智能，不僅能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還能在醫(yī)療等領(lǐng)域大展拳腳，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。國內(nèi)外學(xué)者紛紛加入研究隊(duì)伍，Ge 等人以蚯蚓為參照物設(shè)計(jì)出一款軟體機(jī)器人，王旭設(shè)計(jì)出一款可以完成蠕動爬行的軟體機(jī)器人。本設(shè)計(jì)之所以采取模塊化處理，優(yōu)勢在于方便運(yùn)動速度及模式。將多個(gè)相同模塊拼接在一起，可實(shí)現(xiàn)豐富運(yùn)動序列的目的。

1 模塊化軟體機(jī)器人

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟體模塊主要由2 部分構(gòu)成，一是2 條多氣囊結(jié)構(gòu)，二是由底層、中間層、頂層組成的底板。之所以要讓多氣囊結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)，目的在于讓軟體機(jī)器人擁有做差速運(yùn)動的能力。在底板中，上下2 層均使用硅膠材質(zhì)，中間層做特殊處理，使其具有不可拉伸的作用，防止底板變形。單個(gè)軟體模塊的規(guī)格是長度110 mm、寬度82 mm。

要想氣囊運(yùn)動，需要輔以驅(qū)動器。圖1 展示的是氣囊驅(qū)動器截面情況，其中Sa等于 13 mm，Sb等于 2.5 mm，Sc等于1 mm，Si等于14 mm，其余均為3 mm。利用3D 技術(shù)將驅(qū)動器的模具打印出來，再通過澆鑄，即可獲得成品。為讓驅(qū)動器與底板連接緊密，需要使用粘結(jié)劑。一般情況下，選用硅膠或硫化膠。

軟體機(jī)器人的運(yùn)動方式參照尺蠖，由6 個(gè)模塊構(gòu)成。這些模塊之間并無結(jié)構(gòu)差別，只是獨(dú)立供氣。正是由于這一特點(diǎn)，使得軟體機(jī)器人擁有諸多主動件，使得可選擇的驅(qū)動序列有很多，這為豐富運(yùn)動模式提供了可能。

1.2 前進(jìn)波傳遞

圖2將機(jī)器人前進(jìn)波傳遞過程完整呈現(xiàn)。圖中字母代表不同含義，a代表初始狀態(tài)，這時(shí)還沒有運(yùn)動。b代表尾部模塊，此時(shí)波形開始傳遞。d代表頭部模塊，此時(shí)波形已傳遞至此。c代表傳遞過程中，此時(shí)波形由2點(diǎn)向3點(diǎn)傳遞。當(dāng)傳遞1 個(gè)周期后，機(jī)器人的位置情況見e。在完成4 個(gè)周期后，位置情況見f，此時(shí)機(jī)器人前進(jìn)了11.6 cm的距離。

圖2 A1D1模式的實(shí)驗(yàn)效果Fig.2 The experimental effect of A1D1 mode

2 多模式運(yùn)動分析

2.1 單向前進(jìn)運(yùn)動

軟體機(jī)器人要想具備單向前進(jìn)的功能，需要滿足2 個(gè)條件：一是在進(jìn)行充氣操作時(shí)，后方必須傳遞過來能量；二是在進(jìn)行放氣操作時(shí)，模塊可將變形量向前方傳遞。

軟體機(jī)器人的待放氣模塊位于左側(cè)，待充氣模塊位于右側(cè)。在待放氣模塊的左右各有一個(gè)變量，在待充氣模塊右側(cè)也有一個(gè)變量。三變量之間的關(guān)系發(fā)生變化，運(yùn)動情況也會隨之改變[3]。

第1種情況，充放氣模塊運(yùn)動。m代表一個(gè)模塊的質(zhì)量，μ代表摩擦因數(shù)，θ代表彎曲角度，far、fbl為靜摩擦力。當(dāng)模塊兩側(cè)收到壓力時(shí)測試結(jié)果表明，模塊兩側(cè)的拉力值F和氣壓值p(t)、變形量Δl有著直接聯(lián)系，其中當(dāng)模塊充氣操作完畢后，此時(shí)變形量為ΔL。要想知道變形結(jié)果，關(guān)鍵要看運(yùn)動前后的摩擦力值。已知a小于b，那么可以得出far＜fbl。通過分析現(xiàn)有條件，可以看出模塊后側(cè)的摩擦力率先達(dá)到峰值，在力的作用下，模塊后側(cè)移動一段距離，此時(shí)模塊模塊中心點(diǎn)移動的距離ΔX等于至此，ΔX與a、b之間的關(guān)系就可梳理出來。

對于待充氣模塊M而言，ΔX與a、b之間存在如下關(guān)系：

對于待放氣模塊N而言，ΔX與a、b之間存在如下關(guān)系：

將2 個(gè)公式合并，可以得出：當(dāng)a＜b或a＜c時(shí)，軟體模塊具備向前運(yùn)動的能力。當(dāng)a=b或a=c時(shí)，軟體模塊會把波形向前傳遞，但不會發(fā)生位移。

第 2 種情況，a等于b或a等于c。當(dāng)a=c且a＜b時(shí)，則有far小于fbl的結(jié)論，意味著此時(shí)模塊左端的摩擦力處于峰值。

在完成一組傳遞后，如果模塊N的中心點(diǎn)未發(fā)生變化，則能得出模塊M右端不滑動的結(jié)論。此時(shí)模塊M的變形量是在這個(gè)條件下，可以獲得清楚最終拉力值模塊N做完充氣操作后，最終拉力值假設(shè)a等于c，那么FM與FN相等。

前文提到，與驅(qū)動力相關(guān)的因素只有2 個(gè)，一是氣壓，二是變形量。很顯然模塊M與模塊N的變形量不一樣，所以FM=FN的結(jié)論不成立，說明模塊N的中心點(diǎn)會發(fā)生移動，并且是向右側(cè)運(yùn)動。因此，在a=c且a＜b的條件下可達(dá)成運(yùn)動傳遞的目標(biāo)。同理可知，在a=b且a＜c的條件下，模塊運(yùn)動量會向前傳遞。

綜上所述，當(dāng)滿足a＜b或a＜c條件時(shí)，軟體機(jī)器人可完成單向前進(jìn)運(yùn)動。

第3種情況，三者取值相同。假設(shè)一套操作完成后，模塊N摩擦力的方向180°旋轉(zhuǎn)，由向右變?yōu)橄蜃?，并且設(shè)定摩擦力向右作用距離為向左作用距離為Δx- Δz。經(jīng)過測試觀察可以看出，t放氣＜t充氣。完成放氣操作后，模塊N會在力的作用下繼續(xù)移動，此時(shí)移動距離為正。

無論做何種運(yùn)動，都會遵循能量守恒定律，模塊充放氣過程亦是如此。當(dāng)充氣操作完成后，此時(shí)定義模塊M的勢能為EM（P，ΔLM），模塊N的勢能為EN（P，ΔLN）。在充氣過程中，除了氣體會做功，模塊N的勢能也會進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這一過程可用下面公式表現(xiàn)。

處于待放氣狀態(tài)的模塊N，不同操作下能量變化方程有所不同。在充氣時(shí)，方程是在 放 氣 時(shí) ，方 程 是EN（P，ΔLN）=

P(t)只和模塊結(jié)構(gòu)以及氣壓有關(guān)。當(dāng)對模塊M進(jìn)行充氣操作時(shí)，外摩擦力當(dāng)對模塊N進(jìn)行充氣操作時(shí)，外摩擦力已知a等于c，那么就可得到ΔLM等于ΔLN的結(jié)論。

綜上可得：

繼而推導(dǎo)出：

將本節(jié)公式匯總到一起，就可獲得這一方程：

當(dāng)a取值為 0 時(shí)，可以得出 Δx等于 Δz的結(jié)論，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，說明在前進(jìn)波傳遞中并不會形成新的能量。

當(dāng)a取值為 1 時(shí)，結(jié)果是已知 0＜Δz＜可得出Δx的取值區(qū)間，即由此可以得出模塊的中心位移范圍，即

2.2 驅(qū)動序列分析

假設(shè)A代表模塊處于充氣狀態(tài)，D代表模塊處于待充氣狀態(tài)，i代表連續(xù)的充氣模塊，j代表連續(xù)的待充氣模塊，那么有AiDj代表不同類型的運(yùn)動模式。充氣模塊相互組合即可形成前進(jìn)波，再配以充氣模塊，就能組成一組驅(qū)動序列。a中擁有2 組驅(qū)動序列，模塊1 與模塊2 正進(jìn)行充氣操作，這種狀態(tài)記作A2，模塊3、模塊4、模塊5屬于待充氣狀態(tài)，記作D3，模塊6處于待放氣狀態(tài)，為下一組驅(qū)動序列的提供前進(jìn)量[4]。

通過觀察示意圖，還可得出這樣的數(shù)量關(guān)系。一般情況下，a等于i-1，b與c相等，均為j-1。倘若充放氣模塊緊挨邊界，這時(shí)b或c不大于j-1。結(jié)合上一節(jié)內(nèi)容來看，當(dāng)j大于等于i時(shí)，軟體機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)單向前進(jìn)運(yùn)動。當(dāng)二者取值相等時(shí)，a等于b等于 c 成立。在A1D1運(yùn)動模式中，a值為 0，此時(shí)軟體機(jī)器人無法前進(jìn)。圖8將這一模式下的運(yùn)動效果整體呈現(xiàn)，由圖可見，機(jī)器人在做完1 個(gè)周期運(yùn)動后，基本沒有挪動位置。在A2D2運(yùn)動模式中，a值為1，此時(shí)機(jī)器人可完成單向前進(jìn)運(yùn)動。在A3D3運(yùn)動模式中，a、b、c的取值不為2，必然會出現(xiàn)a值為2，b與c的取值為1 的情況，在這條件下無法實(shí)現(xiàn)單向前進(jìn)運(yùn)動。

綜上所述，滿足單向前進(jìn)條件的運(yùn)動模式有7種，分別是A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D2、A2D3、A2D4。只有在特定條件下，即i小于等于j，A1D6、A2D5、A2D6才能實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動。

3 結(jié)語

本文對軟體機(jī)器人進(jìn)行模塊化處理，內(nèi)含多個(gè)驅(qū)動器，為驅(qū)動序列選擇留有余地。通過一系列測試，獲得模塊之間的間隔關(guān)系，得到有效驅(qū)動序列。同時(shí)，聯(lián)系前后文，準(zhǔn)確判斷出6 模塊軟體機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)10 種運(yùn)動模式。需注意的是，其中3種模式要在特殊條件下才能實(shí)現(xiàn)。