屈濤,劉聰,代瑤,臧紅彬*,,2

(1. 西南科技大學 制造科學與工程學院,四川綿陽 621010;(2. 西南科技大學 制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室,四川綿陽 621010)

軟機器人由于其安全性以及與人類和動物的相容性,具有適應周圍環(huán)境的能力以及抗沖擊性的能力而受到了廣泛的關(guān)注[1]。通過簡單的驅(qū)動器輸入能夠執(zhí)行復雜的運動,實現(xiàn)任意幾何形狀,執(zhí)行多步態(tài)推進[2-3]。但是,軟致動器很難在穩(wěn)定的環(huán)境中保持持續(xù)運動。在沒有額外刺激和自適應環(huán)境相關(guān)的挑戰(zhàn),需要復雜人工干預執(zhí)行多步態(tài)推進極大地限制了軟機器人的應用前景。這項工作描述了設(shè)計在穩(wěn)定環(huán)境中運動的輪式機器人。

能夠響應外部刺激(例如濕度,溫度,光,磁場和電場)而自我激活的活性物質(zhì)在軟機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際應用中起著重要作用,并且它們的特殊驅(qū)動機制極大地擴展了軟機器人的功能[4-9]。但是,使用這些智能軟材料進行設(shè)計機器人時仍然需要解決許多問題。例如,由介電彈性體驅(qū)動軟機器人,小型高壓電源的可靠性以及與剛性電源的連接[4,10]。無約束的磁性軟機器人需要在強磁場下進行預編程,磁性軟機器人的多步態(tài)推進需要周期改變磁場[11]。環(huán)境濕度驅(qū)動的軟機器人價格昂貴,并且需要合成靈敏的響應材料或復雜的制造過程[7,12]。由光或熱驅(qū)動的形狀記憶聚合物需要手動重新編程[13]。由于制造上的挑戰(zhàn)并且缺乏輸出大扭矩的能力,液晶彈性體尚未廣泛地集成到不受束縛的機器人結(jié)構(gòu)中[14]。近年來,智能軟材料的研究及其在軟機器人設(shè)計中的應用取得了一些成就。例如,Shin等利用基于不對稱摩擦系數(shù)的棘輪,在周期的交替濕度和加熱條件下,在定向運動中糾正了振蕩彎曲運動[15]。但是,這些機器人只能在交替的環(huán)境中移動。他們不夠智能,因為它們需要額外的刺激條件[16-17]。此外,簡單的制造過程和低成本也是軟機器人設(shè)計的重要因素[18]。為了克服這些缺點,基于Ecoflex-0030和硫酸紙[19-20]制作的軟體輪式驅(qū)動機器人被制備和測試。

在本文中,使用了硫酸紙和Ecoflex-0030制作無束縛軟機器人,該機器人可以響應濕度和溫度刺激而可逆地變形并推動自身。首先將Ecoflex-0030涂覆在硫酸紙上形成雙層層壓葉片。這些條帶作為葉片安裝在車輪的輪軸上。當將機器人放在均質(zhì)水溫約70°C的熱水網(wǎng)格面時,通過交替彎曲和拉直葉片來驅(qū)動輪子旋轉(zhuǎn)。機器人的旋轉(zhuǎn)要求初始葉片位于特定初始位置。對機器人的尺寸進行設(shè)計并進行機器人動力學建模。最后,制造了連接兩輪的手推車,顯示機器人的協(xié)同作用。

1 硫酸紙變形機理

硫酸紙是通過硫酸處理過后的紙張,其表面纖維被氧化形成致密的凝膠結(jié)構(gòu)(疏水結(jié)構(gòu)),較低的滲透性引發(fā)的不對稱的膨脹會產(chǎn)生大變形,故硫酸紙對濕度敏感。

圖1對硫酸紙表面水接觸角進行了表征,其初始水接觸角WCA=108°,5 min后再次對水接觸角進行測量,WCA=102°。這表明水在紙內(nèi)部滲透緩慢,其表面致密的凝膠減緩了水分子的滲透,在厚度方向容易形成濕度差。

圖1 硫酸紙水接觸角圖像

在掃描電子顯微鏡下觀測硫酸紙表面輪廓(圖2),能夠發(fā)現(xiàn)紙纖維排布大致沿著一個方向,硫酸紙有規(guī)律纖維分布的吸水機制引導硫酸紙條帶發(fā)生可預測的變形,通過控制纖維方向與條帶長度方向夾角,可實現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動模式。

圖2 硫酸紙表面掃描電子顯微鏡圖像

2 軟體輪式機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪式機器人具有機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、工作效率高等特點,采用硫酸紙葉片驅(qū)動輪軸旋轉(zhuǎn)的方式。首先,硫酸紙對濕度敏感(濕膨脹系數(shù)β1≈0.1 C-1),單層硫酸紙在多個循環(huán)載荷下很容易完全潤濕,從而降低了對濕度的敏感性;使用涂布刮膜機將低楊氏模量(E2≈0.069～0.083 MPa)、溫度響應(熱膨脹系數(shù)α2≈279×10-6～284×10-6K-1)的Ecoflex-0030單側(cè)沉積在硫酸紙作為車輪葉片。剪切成矩形條帶(L=25 mm,W=20 mm),采用4張葉片均勻分布在車輪軸的圓柱面上,每張葉片的長度L≥πr/2(形成完全包絡(luò))來增加驅(qū)動力矩;但是L太長很難與圓柱面貼合,且會導致底下的葉片與網(wǎng)格接觸時,左下側(cè)葉片被輪軸壓住而沒被激活(向右運動)。條帶長度L方向垂直于硫酸紙纖維排布方向[21]。然后將雙層條帶固定在低密度圓柱泡沫(ρ=40 kg/m3)的車輪上(r=11 mm,W=20 mm)。輪式機器人的制備如圖3所示。

圖3 輪式機器人的制備

雙層葉片的Ecoflex-0030側(cè)與輪軸剛性連接,原因如下:1) 機器人旋轉(zhuǎn)葉片3必須快速響應包絡(luò)輪軸以適應地面;2) Ecoflex-0030 與地面接觸表面的有一定的粘附力,不利于機器人滾動;3) Ecoflex-0030輸出扭矩足夠大以適應機器人運動。

3 軟體輪式機器人理論分析

3.1 運動分析

在70 ℃的熱水網(wǎng)格平面中,硫酸紙對濕度敏感,而Ecoflex-0030對溫度敏感加快葉片的拉伸。實現(xiàn)葉片交替彎曲和拉直以改變?nèi)~片的輪廓和質(zhì)心,從而在重力和驅(qū)動力矩作用下實現(xiàn)自滾動。機器人滾動的單個步態(tài)由兩個階段組成,即主動階段(圖4a),圖4b))和被動階段(圖4b), 圖4c))。

圖4 單個步態(tài)運動示意圖

圖4描繪了單個步態(tài)運動示意圖。其中葉片1到1′到1″為一個步態(tài)的運動軌跡,實線表示葉片當前狀態(tài),虛線表示葉片上一個狀態(tài)。在主動階段,通過依靠不對稱葉片的彎曲和拉伸來實現(xiàn)主動旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生足夠的濕熱應力σ1,σ2和重力慣性;由葉片變形引起的位移稱為S1。在被動階段,被動旋轉(zhuǎn)完全由機器人的重力和慣性控制,并且不能通過停止機器人的變形而受到阻礙。由重力和慣性引起的位移表示為S2。旋轉(zhuǎn)單個步態(tài)位移S為

S=S1+S2

(1)

主動階段必須提供足夠的勢能,以使被動階段旋轉(zhuǎn)并返回到主動階段的初始狀態(tài)。因此,葉片的初始位置和輪廓對于機器人周期旋轉(zhuǎn)特別重要。

3.2 動力學模型

輪式機器人簡化為4個單曲率κ葉片和一個旋轉(zhuǎn)軸,并且在垂直平面上沒有厚度(圖5)。

圖5 主動階段動力學模型

輪式機器人的變形特征來自于是葉片曲率和旋轉(zhuǎn)軸隨時間變化。 對于隨時間變化的葉片曲率,車輪具有初始狀態(tài),4個葉片引入初始曲率κ1,κ2,κ3,κ4。曲率的計算公式為

(2)

(3)

(4)

葉片質(zhì)心c的計算公式為:

(5)

(6)

(7)

(8)

FN=(2m1g+m2g)cos(τ-δ)

(9)

(10)

(11)

(12)

在被動階段,被動旋轉(zhuǎn)受慣性效應支配,這是一個動態(tài)過程。葉片的變形(圖5b),圖5c))在整個被動階段都保持不變,原因極短時間內(nèi)葉片變形速率比輪軸動態(tài)運動速度要慢得多,因此葉片被假設(shè)為旋轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)的剛性部件。旋轉(zhuǎn)扭矩M2為

(13)

4 軟體輪式機器人實驗

軟體輪式機器人由葉片的濕熱應力以及變形葉片輪廓的重力矩驅(qū)動。葉片的長度、寬度尺寸在第3節(jié)中給出。而雙層葉片厚度直接影響是否能夠直接驅(qū)動機器人的運動,我們對硫酸紙厚度為220 g(h1=0.17 mm)、150g(h1=0.11 mm)、100g(h1=0.08 mm) 和Ecoflex-0030厚度h2=0.1 mm、h2=0.2 mm的層壓葉片驅(qū)動力矩進行了分析。

首先將Ecoflex-0030作為活性層(響應溫度)在下側(cè)(L1)。測量了不同溫度條件下不同厚度葉片熱應力最大驅(qū)動力矩M(圖7)。其中力矩的公式M=mgL計算得到。由于硫酸紙與Ecoflex-0030的楊氏模量(E1≈750 MPa,E2≈0.08 MPa)相差大,由雙層制動器彎曲等式(2)得到,彎曲曲率接近于0,故不考慮曲率因素。

圖6 葉片力矩測量示意圖

圖7 Ecoflex-0030 產(chǎn)生扭矩與溫度的關(guān)系

圖8 硫酸紙產(chǎn)生扭矩與曲率的關(guān)系

葉片的時間響應和輸出扭矩直接影響機器人的運動性能。圖9描繪了不同溫度條件下曲率與時間的圖像(h1=0.11 mm,h2=0.1 mm),結(jié)果表明溫度越高,曲率的變化越大,條帶響應越快。當溫度為80 ℃時,在16 s內(nèi)曲率達到1.27 cm-1。曲率的不穩(wěn)定來自于重力與熱應力的耦合以及熱水蒸氣的不均勻。圖10描繪了硫酸紙活性層不同厚度的曲率與時間圖像(T=60 ℃),結(jié)果表明硫酸紙越厚,達到最大曲率響應時間越長。當硫酸紙厚度為0.08 mm時,在40 s內(nèi)曲率達到1.38 cm-1。

圖9 不同溫度下曲率與時間曲線關(guān)系

圖10 不同厚度下曲率與時間曲線關(guān)系

最終選擇厚度h1=0.11 mm,h2=0.1 mm葉片驅(qū)動車輪。采用熱水溫度為70 ℃驅(qū)動。Ecoflex-0030作為活性層(L1)驅(qū)動力矩為24.23×10-5Nm;硫酸紙作為活性層(L2)驅(qū)動力矩為37.26×10-5Nm。對葉片扭矩多次循環(huán)的輸出扭矩進行了測量,扭矩輸出的變化可忽略不計(圖11)。輪軸的重量僅為0.26 g;機器人包括4個葉片和一個輪軸(圖3),總質(zhì)量僅為0.6 g。為保持機器人持續(xù)滾動,極限扭矩在驅(qū)動葉片4和葉片2曲率為0(與地面平行配置)下必須具有23.52×10-5Nm的最小扭矩輸出保持推進所需的扭矩。但這一瞬間非常短,葉片3一旦向上凹起(圖5b)),最小輸出扭矩迅速減少至0。故厚度選用h1=0.11 mm,h2=0.1 mm葉片溫度為70 ℃時,扭矩滿足要求。

圖11 葉片(25 mm×20 mm×(0.11 mm+0.1 mm))多次循環(huán)輸出扭矩

將平坦的網(wǎng)格(孔徑0.4 mm,絲徑0.12 mm)放在均質(zhì)溫度約70 ℃的熱水頂部,以主動引發(fā)所需的車輪旋轉(zhuǎn)運動。切割L=25 mm,W=20 mm,h1=0.11 mm,h2=0.1 mm的葉片作為推進器。機器人制造簡單,總質(zhì)量為0.6 g。將這些具有特殊位置和幾何形狀葉片的機器人放置在網(wǎng)格上面。葉片在旋轉(zhuǎn)90°后(一個步態(tài)),將返回初始位置以繼續(xù)推進而無需手動重新編程。在實驗中,機器人在55 s內(nèi)移動了85 mm,至少運動了5個步態(tài),證明了這種非對稱設(shè)計對周期循環(huán)的可行性(圖12a))。最后,我們將兩個輪子整合為雙輪手推車,顯示機器人的協(xié)同作用(圖12b))。手推車總質(zhì)量為1.98 g,在72 s內(nèi)移動了88 mm。

圖12 滾動機器人的實驗圖像(比例尺20 mm)

5 結(jié)論

本文利用雙層葉片的大扭矩輸出和不對稱位置來實現(xiàn)對滾動結(jié)構(gòu)中推進的主動控制,不需要額外的編程能夠使機器人持續(xù)運動;提出了一種新穎的控制方法并簡化了機器人的控制。這種機器人擺脫了傳統(tǒng)機器人連接復雜的控制系統(tǒng)并有廣闊的運用前景。例如,在醫(yī)療領(lǐng)域,機器人可以在人類體腔內(nèi)的固有濕度環(huán)境的驅(qū)動下爬行的同時執(zhí)行各種生物醫(yī)學治療。這種簡單的機器人可以擴展為主動控制軟機器人,并最終控制具有更復雜的可逆功能和機車步態(tài)的機器人。到目前為止,我們選擇了工業(yè)生產(chǎn)的硫酸紙作為機器人驅(qū)動材料,驅(qū)動這種機器人仍然需要苛刻的條件;將來可以使用響應外部刺激(例如光,pH和濕度)而自我激活的活性物質(zhì)會導致敏捷和大幅度響應。