沈 哲，張 禹，王 寧

為了提高對于多種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性及人機交互的安全性， 軟體機器人應(yīng)運而生。 這類機器人由于制作材料多為硅膠， 具有造價低、 柔順性好等特點， 仿生機器人是軟體機器人的重點研究方向[1]。 通過分析真實生物的運動方式， 設(shè)計制作高度還原實際動物的本體結(jié)構(gòu)外形。 目前仿生軟體機器人主要有： 爬行類機器人、 水下類機器人、 管道類機器人等。

仿蛇形機械人是爬行類機器人的一大研究方向， 世界上第一臺仿蛇機器人是由日本東京大學(xué)的Hirose 教授研制帶有被動輪的ACM Ⅲ[2]， 這款仿蛇機器人由剛性模塊正交連接而成， 其在平地上最高行進速度可達40 cm/s。 Gavin miller 研制了每一段驅(qū)動器尺寸參數(shù)各不相同， 在仿生度上高度還原自然界中蛇的機器人S1-S5[3]， 這臺機器人只能在二維平面內(nèi)運動且不具備避障功能， 同樣是通過正交連接的傳統(tǒng)剛性機器人。 我國的第一臺仿蛇機器人由上海交通大學(xué)的顏國正等人[4]發(fā)明制作， 這款蛇形機器人的微型樣機可以在水下運動。

目前， 雖然已經(jīng)有很多國內(nèi)外學(xué)者完成仿蛇機器人相關(guān)的設(shè)計制作工作， 但大多還停留在傳統(tǒng)的剛性材料和正交連接方式， 純軟體材料制作的仿蛇機器人還鮮有人嘗試， 用軟體硅膠材料制作仿蛇機器人可以大大提高機器人仿生度， 更加貼近并且還原自然界中蛇的多種運動姿態(tài)和軌跡。

本文分析蛇的多種運動模式， 研究制作仿蛇機器人的首部、 頸部、 軀干和尾部， 采用氣體驅(qū)動方式實現(xiàn)蛇的多種運動模式， 通過改變通入不同段驅(qū)動器內(nèi)的氣體的大小和頻率使仿蛇機器人整體呈現(xiàn)出不同的運動形式。

1 蛇的運動模式分析

蛇在行進過程中通過肌肉收縮調(diào)整鱗片角度，以改變軀干與地面接觸部分的面積大小， 從而改變摩擦力并向前行進。 對于生物蛇大體可分為以下幾種運動方式[5]：

（1） 蜿蜒前行

蛇從頭部開始橫向波動， 產(chǎn)生若干個波依次向尾部傳遞， 其擺動的軌跡類似于正弦波的波形圖[6]， 與此同時， 與地面接觸的彎曲軀干后半部分鱗片翹起， 增大與地面間的摩擦力， 推動地面的同時從地面獲取反推力向先運動（見圖1）。

圖1 蜿蜒前行圖

（2） 伸縮運動

當(dāng)環(huán)境狹小受限時， 蛇會首先將軀干收縮成S形， 后半部分緊貼地面提供靜摩擦， 前半部分向前伸展， 隨后前半部分收縮并緊貼地面， 后半部分向前移動， 如此往復(fù)循環(huán)（見圖2）。

圖2 伸縮運動圖

（3） 蠕動爬行

這種運動模式是通過肋骨的外伸和內(nèi)收使得蛇底腹部在膨脹和收縮的切換之間， 與地面間的摩擦力不斷變化， 從而緩慢向前蠕動（見圖3）。

圖3 伸縮運動圖

2 仿蛇機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者以自然界中的蛇為仿生依據(jù)， 提出對仿蛇軟體機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的普適性方案， 結(jié)構(gòu)上分為頭部、 頸部、 軀干、 尾部和鱗片， 體長約在1～1.5 m之間， 軀干寬度不得超過高度的兩倍， 該體型能最大程度減小慣性阻力。

頭部 多數(shù)情況下蛇在行進時， 頭部通常是微微翹起的狀態(tài)， 也就是說頭部不參與驅(qū)動， 僅用來收集視覺信息并識別， 所以在頭部中間位置嵌入一片鋼板以實現(xiàn)頭部整體形態(tài)的固定， 并且為仿蛇形機器人提供一定的剛度， 用硅膠制作可以提高機器人整體的柔順性和仿生效果。

頸部 頸部的作用是使頭部進行各個方向的轉(zhuǎn)向， 是蛇形機器人的主要轉(zhuǎn)向部位， 所以要求頸部有更高的自由度， 本次設(shè)計頸部包括四個獨立型腔（ 見圖4） ， 當(dāng)同時給型腔1 和型腔2、 型腔3 和型腔4、 型腔1 和型腔4、 型腔2和型腔3 通入氣壓時， 就會產(chǎn)生向上、向下、 向左、 向右的彎曲效果， 軟體驅(qū)動器內(nèi)腔外側(cè)采用褶皺式腔體結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)的好處在于通氣時產(chǎn)生的徑向膨脹很小， 不會產(chǎn)生“ 氣球式” 膨脹， 而中性面的加入則會限制型腔的軸向伸長， 使型腔通氣時的彎曲效果更佳。

圖4 頸部型腔圖

軀干 軀干是產(chǎn)生整體運動的驅(qū)動器部分， 為滿足仿蛇機器人多種運動模式的需要， 軟體驅(qū)動器采用三段式左右獨立褶皺式型腔結(jié)構(gòu)， 褶皺式型腔能夠最大限度將氣壓轉(zhuǎn)化為彈性勢能， 將擺動最大化。 底部采用橫向和豎向兩種方式布置鱗片， 橫向鱗片提供前進推力， 豎向鱗片產(chǎn)生各向異性， 當(dāng)內(nèi)部型腔通入氣壓膨脹以后， 另一側(cè)驅(qū)動器會向中心收縮， 使軀干呈彎曲姿態(tài)， 周期性通氣使蛇身整體產(chǎn)生波動形態(tài)向前運動。

2.2 氣管內(nèi)嵌式設(shè)計

目前， 大多數(shù)軟體氣動仿生機器人氣管的布置為： 連接在腔體兩端， 這樣布置的好處在于方便快捷， 制作樣機過程中在粘接硅膠時無需考慮內(nèi)腔結(jié)構(gòu)是否會與內(nèi)嵌的氣管產(chǎn)生干涉， 但弊端顯而易見， 仿生還原度差， 外露在機器人兩端的部分氣管還有可能影響到整體機器人的運動。

本文仿生機器人氣管的具體連接方式為： 在將三段驅(qū)動器首尾粘接之后， 氣管由尾部嵌入， 并用液體狀硅膠將通入氣管的管口處密封黏合， 由中性面隔開對稱分布， 氣管在內(nèi)腔空間中的螺旋形狀是內(nèi)嵌式設(shè)計系統(tǒng)的一個關(guān)鍵點， 它允許三段驅(qū)動器在運動中的膨脹、 收縮和彎曲。

2.3 整體模型

通過對仿蛇軟體機器人頭部、 頸部、 軀干、 尾部、 鱗片及內(nèi)部氣管的設(shè)計和布置， 得到整體模型的設(shè)計方案（ 見圖5） ， 裝配體由頭部、 頸部轉(zhuǎn)向器、 第一段驅(qū)動器、 第二段驅(qū)動器、 第三段驅(qū)動器、 尾部、 氣管、 傳感器等結(jié)構(gòu)組成， 按照先主后次原則進行裝配。

圖5 整機爆炸視圖

3 仿蛇機器人樣機制備

本文通過FDM 方案設(shè)計機器人所用模具， 采用3D 打印機制備模具， 通過澆筑工藝完成仿蛇形機器人各部件的制作， 最后粘接各部件組成機器人樣機。

3.1 制作模具

首先， 通過三維軟件設(shè)計出仿蛇軟體機器人的頭部、 頸部、 軀干、 尾部和鱗片的三維模型， 通過軟件中的組合功能制作出每個部件相應(yīng)的上模具和下模具， 在設(shè)計模具的過程中要注意： （1） 模具應(yīng)保證倒入液態(tài)硅膠和固化劑混合物之后模具的密閉性； （2） 硅膠在靜置冷凝后可以從模具中完整取出且不破壞模具； （3） 模具邊緣不能過薄， 模具整體應(yīng)具有一定剛度， 確保脫模過程順利進行。

3.2 制作樣機

制作仿蛇軟體機器人樣機共有五個流程， 分別是混合硅膠與固化劑、 實物澆筑、 靜置固化、 成形脫模及粘接成形。

（1） 混合硅膠與固化劑

首先配置制作機器人硅膠原料的混合物， 按照1.5∶100 的比例將固化劑與硅膠進行混合調(diào)配， 由于溫度原因該比例在夏季要略高于1.5， 冬季略低于1.5， 在硅膠中倒入固化劑后攪拌5～10 min， 之后放入真空泵中抽氣， 將混合物中的氣泡充分吸出。

（2） 實物澆筑

首先在下模具中均勻噴灑一層脫模劑， 再將準(zhǔn)備好的硅膠與固化劑混合物倒入下模具， 靜止5 min， 讓混合物內(nèi)的氣泡充分溢出后再扣合上模具。

（3） 靜置固化

將倒入硅膠固化劑混合物的上、 下模具放入恒溫箱中加速固化速率， 靜置5 h 后即可開始脫模。

（4） 成形脫模

起模前先檢查硅膠是否已經(jīng)完全固化， 起膜中注意不能破壞下模具的邊緣， 以便于下一次的澆筑。 取出的硅膠實物存在由氣泡導(dǎo)致的缺口時， 可在缺口位置補一些硅膠。

（5） 粘接成形

脫模成形后的多個部件由首部到尾部依次粘接， 每次粘兩個相鄰部件， 粘接材料采用硅膠與固化劑的混合物， 注意粘接材料混合物中的固化劑含量應(yīng)該多于機器人部件中混合物固化劑的含量。 因為氣管屬于內(nèi)嵌式設(shè)計， 所以要從首部到尾部依次粘接， 所有氣管從尾部與第三段型腔之間留出的氣孔中通出（見圖6）。

圖6 實物圖

4 仿蛇機器人實驗測試

對制作完成的仿蛇軟體機器人進行蜿蜒前行、伸縮運動， 以及直線蠕動三種運動模式進行測試，為將來完善優(yōu)化純軟體制作的多運動模式仿蛇形機器人提供數(shù)據(jù)和參考。

4.1 蜿蜒前行運動測試

本節(jié)對制作完成的仿蛇軟體機器人樣機進行蜿蜒前行運動模式的測試， 測試內(nèi)容包括機器人是否能實現(xiàn)蜿蜒運動步態(tài)， 以及該運動模式下的位移和速度。 本文設(shè)計的仿蛇軟體機器人分三段驅(qū)動， 每段驅(qū)動器由中性面隔開成各自獨立的氣腔， 也就是說機器人驅(qū)動器部分共有六個型腔。 在進行蜿蜒運動時， 通過同時對第一段驅(qū)動器左腔、 第二段驅(qū)動器右腔和第三段驅(qū)動器左腔通入相同氣壓， 使機器人軀干呈S 型， 對這三個氣腔放氣， 同時對相反氣腔內(nèi)通入同樣壓強， 此時機器人軀干呈現(xiàn)出反S型， 不斷重復(fù)上述通氣方式， 使仿蛇軟體機器人以蜿蜒前行運動模式行進（見圖7）。

圖7 蜿蜒前行運動周期圖

設(shè)定每段驅(qū)動器充氣時間為3 s， 放氣時間為2 s， 機器人完成一個蜿蜒前行運動周期需要10 s，記錄下機器人前進一個周期位移為3.4 cm， 得出仿蛇軟體機器人蜿蜒運動模式下前進速度為3.4 mm/s。

4.2 伸縮運動測試

仿蛇軟體機器人在進行伸縮運動時， 是通過前部分軀干伸展為S 型曲線拉動后部分軀干向前伸展， 所以對機器人內(nèi)腔通氣順序為： 首先第一階段向第一段驅(qū)動器右腔和第二段驅(qū)動器左腔通氣壓，第二階段對第一段驅(qū)動器放氣， 保持第二段驅(qū)動器通氣狀態(tài)， 同時對第三段驅(qū)動器右腔通氣， 最后第三階段對第一段驅(qū)動器右腔通氣， 對第二段驅(qū)動器放氣， 第三段驅(qū)動器保持通氣， 完成一個完整伸縮運動周期（見圖8）。

圖8 伸縮運動周期圖

記錄仿蛇形軟體機器人伸縮運動一個完整周期所需時間為12 s， 前進位移為3.2 cm， 得出速度為2.6 mm/s。

4.3 直線蠕動測試

仿蛇軟體機器人的直線運動模式較為簡單， 原理與蠕蟲的蠕動運動類似， 三段驅(qū)動器由從首至尾依次通氣， 然后依次放氣即可（見圖9）。

圖9 直線蠕動周期圖

仿蛇軟體機器人直線蠕動完成一個周期為18 s， 前進位移2.9 cm， 得出速度為1.61 mm/s。三組實驗結(jié)果表明： 本文制備的機器人可以完成三種運動模式且蜿蜒前行模式的速率最高， 與自然界蛇類運動情況一致。

5 結(jié) 語

本文通過分析生物蛇三種運動模式的行進機理， 通過建模繪出模具并用3D 打印機打印， 調(diào)配硅膠與固化劑的混合物， 澆筑制作部件， 最后粘接實物成形。 對制作好的實物進行三種運動模式的測試實驗， 記錄運動位移和時間， 通過比較得出仿蛇軟體機器人在蜿蜒前行運動模式下的速率最高， 符合實際生物蛇的運動情況和特點。