郭倩楠

（工商銀行北京分行，北京，100031）

0 引言

21世紀以來，機器人學科及其延伸出的各種產(chǎn)業(yè)得到了世界各國政府的大力重視與支持。中國針對國內(nèi)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相繼出臺了各種政策，國家自然科學基金、科技重大專項等項目規(guī)劃中也有許多機器人相關領域的項目[1]。美國相繼啟動了“國家機器人計劃”及“國家機器人計劃2.0”，這些計劃受到了美國國家科學基金會(NSF)、美國農(nóng)業(yè)部(USDA)、美國能源部（DOE）和美國國防部（DOD）等多個政府機構的支持。同樣地，歐盟以及其他一些國家也都在緊鑼密鼓地布局機器人行業(yè)的發(fā)展。機器人技術日益成為各國科技、軍事和綜合國力競爭的重要一環(huán)。

機器人技術的應用場景眾多，因此對于機器人的分類方式也有許多。從機器人的制造材料選擇的角度來看，人們平日里見到的機器人多數(shù)為剛性機器人，是由剛性構件通過運動副連接的結構，而本文要重點介紹的軟體機器人則多數(shù)選用柔性材料，如硅膠、塑料、織物等。剛性材料具有運動精準、承載載荷大等優(yōu)點，但應用其制造的機器人的環(huán)境適應性較差，結構也較為復雜，體型較大。相反地，軟體機器人則擁有極強的環(huán)境適應能力，如能通過各種狹長的縫隙等，結構也相對簡單[2]。因此在一些特殊領域，如管道探測、果實摘取等，軟體機器人相較于剛性機器人有很大優(yōu)勢，也能很好地滿足作業(yè)的要求。

機器人是一門新興學科，從機器人之父約瑟夫·恩格爾伯格在1959年創(chuàng)造出第一個自動搬運手臂到現(xiàn)在不到一個世紀，而軟體機器人的研究更是開展得較晚，因此有關于軟體機器人的研究還有許多需要改進和完善的地方，如軟體機器人的無限多自由度增加了其運動建模的難度等。本文從結構、驅動方式、建模和制造方法四個方面介紹軟體機器人的研究概況。

1 結構

機器人的結構設計來源于仿生學，比如剛性機械臂的結構設計參照的是人體的手臂結構。同樣地，軟體機器人的結構設計也是參照了自然界中生物的生理結構。

軟體機器人的結構可以分為靜水骨骼結構、肌肉性靜水骨骼結構和其他結構[3]。

1.1 靜水骨骼結構

靜水骨骼結構源于許多軟體動物（如蠕蟲等），大部分軟體動物沒有骨骼，他們是由表皮、體液、神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉等組成。由表皮包裹體液和神經(jīng)系統(tǒng)，形成體積不變的一個封閉腔（體積由體液決定），這是靜水骨骼結構的典型結構。當體積被限制時，肌肉往一個方向伸長或收縮時，其他方向相應的也會收縮或伸長，于是通過不斷地控制不同肌肉的收縮以及收縮量就可以實現(xiàn)運動。

利用上述原理，麻省理工學院仿生機器人實驗室率先研制出了仿生蚯蚓機器人Meshworm[4]。如圖1所示，蚯蚓的縱向肌肉收縮可以增加身體的直徑，圓周狀的環(huán)肌收縮可以縮短身體的直徑，當各段的肌肉配合進行收縮、擴張時，蚯蚓就可以實現(xiàn)前后運動。

圖1 蚯蚓結構

如圖2所示，Meshworm采用了形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA），主體為一根聚合管，在主體周圍環(huán)繞網(wǎng)格狀SMA，驅動周圍環(huán)繞的SMA形變，其就可以模仿蚯蚓肌肉的運動。SMA的形變作用于主體聚合管上，可以實現(xiàn)整體機構的前后運動，移動速度可達0.05m/s。該結構可以承受較大的載荷，在一些狹窄崎嶇的地形中可大放異彩。

圖2 Meshworm結構

之后，有研究人員參照蠕蟲、爬蟲等軟體動物研制出形形色色的靜水骨骼結構，比如，GoQBot軟體機器人具有和毛蟲一樣的外形，并能實現(xiàn)滾動、彈射運動等[5]，這里不一一介紹。

1.2 肌肉性靜水骨骼結構

肌肉性靜水骨骼結構沒有封閉的流體腔，這是它與靜水骨骼結構的最大不同。肌肉性靜水骨骼結構完全是由肌肉纖維組成，例如動物的舌頭、章魚的觸手等都是肌肉性靜水骨骼結構。

其中，具有代表性的設計是歐洲章魚項目組，該項目組參照章魚觸手的結構進行仿生結構設計。如圖3所示，章魚的觸手由軸向、橫向和斜向的肌肉纖維組成，肌肉之間嵌著神經(jīng)系統(tǒng)，章魚可以通過收縮觸手的軸向肌肉來實現(xiàn)觸手的縮短，收縮橫向肌肉可以使觸手伸長，收縮斜紋肌則可實現(xiàn)觸手的旋轉。

圖3 章魚觸手肌肉

該項目組基于此原理，研制出基于電活性聚合物（EAP）人工肌肉的仿生章魚觸手。如圖4所示，四根圓柱形的EAP人工肌肉作為軸向肌肉，而四個弧形的EAP人工肌肉則作為橫向肌肉，在進行鍍金電極、封裝等制作步驟后，仿生章魚肌肉便制作完成。通過實驗驗證，該仿生章魚觸手在施加2000V的電壓之后可以達到20%左右的收縮量[6]。

圖4 EAP人工肌肉

2 驅動方式

為了實現(xiàn)軟體機器人的運動，結構設計完成之后，便要考慮驅動器的選擇。由于軟體機器人的特殊結構和運動形式，其對制動器的靈活性、功率等都提出了很高的要求。

軟體機器人的驅動方式大致可以分為流體驅動、智能材料驅動和化學反應驅動三類。

2.1 流體驅動

流體驅動中最具代表性的是氣體驅動，氣體驅動通過氣壓變化來使結構變形或運動。氣體驅動又可以分為正壓驅動與負壓驅動，正壓驅動是向構件中充入氣體來增大構件內(nèi)部的氣壓來使構件膨脹從而產(chǎn)生運動，而負壓驅動則是利用儀器抽出構件內(nèi)的氣體，使構件的腔體收縮來實現(xiàn)目標動作。

如圖5所示，哈佛大學設計的多步態(tài)軟體機器人從進氣管通入氣體，改變氣壓大小等參數(shù)就可以實現(xiàn)機器人的前進等運動[7]。

圖5 多步態(tài)軟體機器人

圖6展示的是Brown等研制的球形軟體抓手，其通過抽取腔體里的氣體使機器人表面緊緊貼附在需要抓取的物體之上并實現(xiàn)抓取[8]。

圖6 軟體抓手

2.2 智能材料驅動

前述形狀記憶合金（SMA）、電活性聚合物（EAP）等都是屬于智能材料。

SMA是通過熱彈性與相變及逆變而具有形狀記憶的特性，通過加熱升溫，SMA就可以消除其在較低溫度下產(chǎn)生的形變。SMA驅動器具有質量小、無噪聲等優(yōu)點，但也存在效率較低、容易老化的缺點。

EAP在受到電刺激之后會產(chǎn)生形變，EAP材料的質量比較輕，驅動效率比較高，抗沖擊的能力也比較強，但是驅動EAP所需要的激勵電場比較大，穩(wěn)定性也比較差。

隨著材料科學的不斷發(fā)展，越來越多的優(yōu)良性能的材料逐漸應用到軟體機器人的研究中，相信在未來會出現(xiàn)集效率高、所需激勵能量小等各種優(yōu)點的新型智能材料。

2.3 化學驅動

化學驅動是指利用不同物質之間的化學反應產(chǎn)生的能量來驅動機器人運動，往往是通過在機器人中內(nèi)置反應劑，再根據(jù)運動需求投入相應的催化劑產(chǎn)生能量，通過機器人內(nèi)部的通道來傳遞能量，最終使機器人運動起來。

如圖7所示，全軟體機器人Octobot是由3D打印技術制作而成，其8只觸手通過氣液體微孔道聯(lián)通；注入過氧化氫溶液到機器人體內(nèi)，在壓力的作用下，溶液通過微孔道流過機器人體內(nèi)，當遇到體內(nèi)的鉑催化劑時，發(fā)生反應并釋放出氣體，觸手通道就會膨脹，從而實現(xiàn)機器人的運動。

圖7 全軟體機器人

3 建模方法

傳統(tǒng)剛性機器人的建模已經(jīng)有了許多系統(tǒng)的方法，如用D-H法可以得出各關節(jié)的相對坐標量，也可以建立末端的運動學模型，可以準確地獲得實時的末端運動參數(shù)。而軟體機器人變形連續(xù)性以及無限自由度并不完全適用傳統(tǒng)的分析方法和模型，因此需要在已有的方法和模型基礎上，繼續(xù)補充或者提出新的模型來求解軟體機器人的運動學問題。

目前常用的軟體機器人建模方法是，在連續(xù)剛形體方法的基礎上，將每一小節(jié)的常曲率（CC）段接合在一起，最后得到分段常曲率（PCC）模型。這個PCC模型把長度、曲率和偏轉角作為參數(shù)，再通過改進的D-H法將構型空間下的軟體結構的末端點映射到工作空間中，從而得出從構型空間轉換到工作空間的通用齊次矩陣。如果構件的曲率不為常數(shù)，則需要將構件分為若干曲率恒定的小段，再使用PCC模型進行求解。

也有許多新的建模方法被提出，如Trivedi等在梁理論與Cosserat桿理論的基礎上，結合得到了一種更為復雜的梁理論[9]；Renda等基于Cosserat模型的離散化開發(fā)了兩種高效的遞歸算法，提出了一種新的用于多分段軟機械手動力學的分段恒定應變模型，減少了計算時間，也提高了模型精度。

4 制造方法

軟體機器人的制造包括機器人結構的制造、驅動器的制造、柔性電路的制造等。軟體機器人本體結構的制造方法有3D打印、快速成型技術等?？焖俪尚图夹g又包括形狀沉積法（SDM）、熔融沉積成型、未注射成型等。

SDM方法可以把傳感器、電路結構等嵌入在其中，圖8是SDM的流程示意圖。早在1994年，Merz等就詳細地講述了SDM的實施步驟。

圖8 SDM工藝流程圖

SMA制動器的主要制作方法也可采用SDM工藝，如圖9所示，將SMA通過表面微加工技術嵌入聚酰亞胺基底上。

圖9 SMA嵌入工藝

可伸展的電路一般有兩種，一種是波紋狀結構，在制造時留下拉伸的余量，當施加應變時，余量可以保證電路不斷裂[10]。另一種是平行四邊形的開環(huán)網(wǎng)狀結構，將電極沉積在網(wǎng)狀結構的表面，平行四邊形不穩(wěn)定，可以拉長或縮短，從而實現(xiàn)電路的伸展[11]。

5 總結和展望

軟體機器人涉及到材料科學、化學、MEMS、控制科學等學科，是一門綜合學科，同時也是一門新興學科。軟體機器人的主體與驅動器的材料主要依靠材料學的發(fā)展，現(xiàn)有的材料方案在應力應變、壽命等方面或多或少都有一些缺陷。由于軟體機器人理論上的無限自由度和運動的不可靠性和多樣性，現(xiàn)有的建模方法還有許多缺陷，而沒有精確的建模方法就沒有辦法進行精準的控制。當然根據(jù)歐洲章魚項目組對章魚觸手的研究，章魚的觸手運動并不是完全由大腦控制的，許多具體的信號是由章魚的觸手自行計算并發(fā)出的，這也為研究控制軟體機器人提供了一些新的思路。

綜上所述，軟體機器人目前還存在許多問題有待解決，但所有學科都是一步步突破障礙逐漸走向成熟的，相信隨著各個學科的發(fā)展以及深度融合，軟體機器人將在不遠的未來大放異彩，成為人類最好的助力之一。