陳 濤， 唐 斌， 張 平

( 大連理工大學 能源與動力學院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

隨著全球工業(yè)革命和人類社會的不斷發(fā)展，機器(人)在社會生產(chǎn)生活中的應用日益廣泛[1]．傳統(tǒng)剛性機器人主要由剛性部件構成，能適應特定的外部環(huán)境約束與障礙，具有高度精確性的特點．然而，剛性機器人的人機交互性和變形能力較低，無法適應不同的環(huán)境狀況[2]．研究者們通過模仿自然界中的軟體動物，研制出了軟體機器人，以適應復雜多變的工作環(huán)境．軟體機器人主要采用流體、硅膠、凝膠以及智能材料等制造，具有與軟體生物類似的彈性和可變形性質，可以承受大應變，實現(xiàn)大變形[3]．目前，軟體機器人在原理、模型和技術等方面都取得了一定的成果，在工業(yè)生產(chǎn)、救災救援、醫(yī)療服務、勘探勘測等領域具有極大的潛力[4-5]．

軟體爬行機器人的設計靈感源自于大自然中的無脊椎生物，主要研究方向是驅動與材料．基于硅橡膠、水凝膠和形狀記憶合金等材料的流體驅動、線纜驅動以及電磁驅動等不同類型的軟體爬行機器人正在蓬勃發(fā)展[6]．Shepherd等采用軟光刻技術，制作了一個四足五氣室的軟體爬行機器人，每個氣室都有單獨充氣通道，通過控制膨脹序列和壓力，實現(xiàn)了機器人的多步態(tài)快速運動[7]．在此基礎上，Tolley等又將控制系統(tǒng)集成到機器人的身體中，研制了一個無纜軟體爬行機器人，可以在惡劣環(huán)境下自主工作，但缺點是運動精度低且運動速度相對較慢[8]．Gu等與麻省理工學院研究者合作研發(fā)了一款由介電彈性體驅動的軟體機器人，其由介電彈性體人工肌肉和靜電吸附腳掌聯(lián)合實現(xiàn)壁面爬行[9]．受側頸烏龜啟發(fā)，Drotman等創(chuàng)造了通過氣動回路保持系統(tǒng)控制和運動的四足軟體爬行機器人[10]．Du等設計了一只“派大星”機器人，它由硅膠泡沫制成，可以安靜且有效地在水中游動[11]．Zhu等合成了一種具有動態(tài)疏水特征的新型水凝膠智能材料，該水凝膠在水面上可實現(xiàn)自驅動，無須額外能量供給[12]．

上述軟體爬行機器人主要基于流體驅動或智能材料驅動等方式設計制作而成，電機-線纜驅動的軟體爬行機器人研究還比較少[13-14]．線纜驅動的軟體爬行機器人具有結構簡單、負載能力高、控制容易等優(yōu)點．相比于常用的氣動驅動方式，電機-線纜驅動的控制策略更加成熟，制造時不需要考慮軟體結構的密封性，驅動動作反應更快，且無須考慮外界氣壓的影響，能夠在太空、深海等多種惡劣環(huán)境下工作．

盡管前人對多足軟體爬行機器人進行了較多研究，目前以步態(tài)控制實現(xiàn)行走功能的線纜驅動軟體爬行機器人的研究還較少．本文利用電機-線纜驅動方式，開發(fā)一種由硅膠和3D打印結合而成的軟體爬行機器人，初步實現(xiàn)機器人爬行中的路徑規(guī)劃．通過對軟體爬行機器人進行設計制作、控制器調試、實驗驗證及特性分析，為線纜驅動軟體爬行機器人的進一步研究奠定基礎．

1 軟體爬行機器人系統(tǒng)設計

本文提出的電機-線纜驅動軟體爬行機器人由3D打印的軀干和3條硅膠腿配合制造而成，總體結構設計如圖1所示．軟體爬行機器人軀干上方呈三角形方式分布著3個驅動電機，每個電機連接1條驅動線纜．軟體爬行機器人前后腿由硅膠腿和摩擦滑塊兩種摩擦因數(shù)(與爬行面之間)差異較大的結構結合而成．硅膠腿的摩擦因數(shù)較大，PLA材料打印的摩擦滑塊的摩擦因數(shù)較?。ㄟ^控制器控制電機的轉動方向和時間，牽拉驅動線，使軟體爬行機器人前后腿彎曲，產(chǎn)生摩擦力變化，再配合硅膠腿的自動回彈，實現(xiàn)機器人的爬行運動．驅動電機固定在機器人身上，可使整個軟體爬行機器人小型化、靈巧化．

圖1 軟體爬行機器人的三維模型

1.1 軀干結構的設計與制作

為使軟體爬行機器人的自由度較少且能夠實現(xiàn)負載爬行，軀干由硬質PLA材料打印而成．根據(jù)軟體爬行機器人軀干的形狀和設計尺寸，先在Creo中建立三維立體模型并用切片軟件(Cura)進行處理，然后利用3D打印機(ANYCUBIC CHIRON)將其打印出來，如圖2所示．

(a) 模型

1.2 腿結構的設計與制作

為使后腿彎曲后的彈力和回彈時間大于前腿，增加前進的能量，將兩條后腿設計得比前腿長且呈漸寬型．鋸齒型肋板的設計原則是，滿足腿與爬行面離散接觸的要求，并且能夠降低抗彎截面系數(shù)．每條腿與爬行面存在一定角度，使腿彎曲更容易，而機器人本身的重力會使腿與爬行面接觸．

模具打印成型后，使用邵氏硬度為20度的半透明AB混合型硅膠，進行等質量混合澆注．在室溫澆注后約6 h，該硅膠實現(xiàn)完全固化．為使?jié)沧⒑蟮能浲刃螤钐匦愿用黠@，在硅膠混合過程中添加了少量黃色染料(不影響硅膠特性)，如圖3所示．

硅膠腿固化完成后，在預留的驅動線纜孔中嵌入外徑約為3 mm的PVC短管并滴入少量液體速凝膠固定，進而減少驅動線纜與軟孔間的摩擦力，降低軟孔與驅動線纜在拉放過程中的磨損．驅動線纜通過在軟腿的末端插入一根粗銅絲固定．在硅膠腿的底端，用速凝膠固定PLA材料打印的摩擦滑塊結構，如圖3所示．

1.3 軟體爬行機器人整體結構

軟體爬行機器人如圖4所示，其前后腿分別固定在軀干上的矩形凹槽中，驅動線纜末端固定在驅動電機的D字軸上．本文選取N20型直流減速電機，其參數(shù)如表1所示．

圖4 軟體爬行機器人

表1 電機特性參數(shù)

2 軟體爬行機器人的控制

軟體爬行機器人的整體系統(tǒng)如圖5所示．該系統(tǒng)主要由主機(PC端)、繼電器、RS232通信設備、控制器、電源以及一些連接元件等組成．其中，主機用來操作繼電器的上位機軟件來控制繼電器的信號進而控制軟體爬行機器人的運動；RS232通信設備主要用來連接主機與控制器并傳遞控制信號；電機控制器是整個控制系統(tǒng)的核心組件，是接收、放大和處理信號的載體，用來給驅動電機傳遞工作信號；驅動電機是將電能轉換為機械能的設備，是軟體爬行機器人的動力源．

圖5 軟體爬行機器人系統(tǒng)

2.1 運動過程

三足軟體爬行機器人的爬行過程如圖6所示，分為起步階段、后腿前移、前腿前移、整體恢復4個階段：

(a) 起步階段

(1)起步階段．前后腿的硅膠部分與爬行面接觸，此時兩者之間的摩擦力較大．后腿的驅動電機1和2(見圖1，下同)同時工作，電機旋轉牽拉驅動線纜，使兩后腿彎曲到臨界點，此時摩擦滑塊與爬行面接觸，兩者之間的摩擦力減小，機器人整體無位移．將軟體爬行機器人腿部摩擦滑塊與爬行面開始接觸的時刻，稱作臨界點．

(2)后腿前移．保持驅動電機1和2的位置固定不動，前腿的驅動電機3工作．此時，前腿硅膠部分與爬行面接觸，它們之間的摩擦力大于兩后腿與爬行面間的摩擦力，前腿拉動兩條后腿向前移動，直到前腿到達臨界點．保持驅動電機3的位置固定不動．

(3)前腿前移．驅動電機1和2反向工作，兩條后腿在硅膠彈性的作用下開始恢復原始形狀，即從摩擦滑塊與爬行面接觸的臨界點，轉換到硅膠部分與爬行面接觸的狀態(tài)．此時兩后腿與爬行面間的摩擦力增大，而前腿與爬行面的摩擦力仍為較小狀態(tài)．后腿推動前腿向前移動，直到后腿恢復到初始狀態(tài)，同時驅動電機1和2停止工作．

(4)整體恢復．驅動電機3反向工作，前腿在硅膠彈性的作用下開始恢復原始形狀，此階段機器人整體無位移．

在12 V電壓驅動下，三足軟體爬行機器人運動周期為1.6 s，整體向前爬行了約23 mm，平均速度約14.4 mm/s．其整體向前爬行的運動取決于第(2)、(3)階段．在一個周期的爬行過程中，驅動電機1和2的轉動時間是同步等量的，可以保證兩后腿的運動狀態(tài)和受力一致，進而實現(xiàn)直線爬行．

2.2 控制系統(tǒng)

基于軟體爬行機器人的電機-線纜驅動原理以及運動過程，設計了驅動電機的控制系統(tǒng)，如圖7所示．該控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：

(1)產(chǎn)生控制器電流．通過主機中的繼電器控制軟件，產(chǎn)生自動控制繼電器觸點通斷的信號，作為控制器工作電流．

(2)輸出電機控制信號．繼電器的觸點信號傳送到控制器的信號端，通過控制器高低電平控制驅動電機的正轉、反轉和停止動作．

圖7 軟體爬行機器人的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心單元是驅動電機的控制器，如圖8所示．該控制器電路主要以STC8H1K28單片機為控制核心，由獨立按鍵命令輸入模塊、數(shù)碼顯示管及電機驅動芯片等組成．采用帶中斷的獨立按鍵輸入命令，對直流電機實現(xiàn)直接清零、啟動、暫停和連續(xù)功能．電機驅動采用了兩個BTN7971B封裝芯片，每個封裝中包含3個獨立的芯片：1個p型MOS管和1個n型MOS管共同連接1個驅動器IC，形成1個集成的大電流半橋，2個BTN7971B驅動芯片組合形成H橋電路，實現(xiàn)輸入與輸出光耦隔離．控制器可實現(xiàn)0.1 s 的切換，性能穩(wěn)定．

圖8 直流電機控制器

2.3 運動控制方案與調試

主機和繼電器通過RS232通信接口連接，根據(jù)驅動電機的工作電壓調整控制器的供電電壓．由于電機轉速與電壓相關，需要測出不同電壓下電機拉動軟腿彎曲到臨界點的時間，并結合前后腿的運動順序預設控制器的控制程序，在上位機中的繼電器控制軟件中編寫指令，使3個驅動電機相互配合，實現(xiàn)軟體爬行機器人的爬行或轉向運動．以直線運動的控制調試為例：

(1)同步給驅動電機1和2的控制器一個正轉時間，使兩電機驅動兩后腿同時到臨界點；

(2)給驅動電機3的控制器一個正轉時間，使電機驅動前腿到達臨界點；

(3)同步給驅動電機1和2的控制器一個反轉時間，使兩后腿復位；

(4)給驅動電機3的控制器一個反轉時間，使前腿復位．

圖9為軟體爬行機器人直線運動時3個驅動電機的運行狀態(tài)．其中，橫坐標為運行時間，縱坐標為3個驅動電機的工作狀態(tài)，分別用M1、M2、M3表示．圖中，1表示正轉狀態(tài)，0表示停止狀態(tài)，-1表示反轉狀態(tài)．在直線運動實驗中，3個驅動電機在不同工作狀態(tài)下的工作時間均為0.6 s，整個運行周期為2.4 s．

圖9 直線運動時的電機工作序列

在直線運動控制的基礎上，減少驅動電機1(左轉)或驅動電機2(右轉)的控制，即可實現(xiàn)軟體爬行機器人的轉向運動．轉向完成后，即可恢復直線運動的控制．軟體爬行機器人運動控制方案如圖10所示．

圖10 軟體爬行機器人運動控制方案

經(jīng)過多次直線和轉向運動調試后，確定以9 V 驅動電壓進行周期編程實驗，將軟體爬行機器人的4個爬行步驟無縫銜接，實現(xiàn)連續(xù)爬行．

3 實驗與分析

3.1 直線運動

對調試完成的三足軟體爬行機器人進行連續(xù)爬行實驗，以測試電機-線纜驅動軟體爬行機器人的連續(xù)運動能力．該實驗要求軟體爬行機器人經(jīng)過多次爬行后仍能保持直線狀態(tài)．實驗方法如下：軟體爬行機器人在實驗平臺的平面上移動，測量單周期直線運動的爬行位移和時間，計算出平均速度，見表2．從表中可以看出，該三足軟體爬行機器人的單周期爬行位移的平均值為25 mm，平均速度的平均值為10.22 mm/s，每周期的爬行時間Δ為2.4 s，爬行頻率為0.42 Hz．

表2 單周期直線運動的實驗結果

將驅動電壓設為9 V，分別取運動次數(shù)n為1、3和5，進行多次重復直線運動實驗，得到不同運動次數(shù)時，軟體爬行機器人運動參數(shù)的平均值如表3所示．從實驗數(shù)據(jù)可以看出，軟體爬行機器人平均每個周期的位移d可以在20 mm以上，平均速度v約為10 mm/s，對應的測量誤差如圖11所示．由圖11可知，隨著運動次數(shù)增多，累積測量誤差會增大．導致此現(xiàn)象的主要原因是，驅動電機的穩(wěn)定性以及驅動線纜的纏繞誤差．

表3 軟體爬行機器人運動數(shù)據(jù)

圖11 軟體爬行機器人運動位移

為提高軟體爬行機器人爬行平均速度，增大電機驅動電壓至12 V，重復上述實驗其運動過程如圖12所示．此時，運動周期縮短至1.6 s，爬行頻率為0.63 Hz．

(a) t=0 s

兩個驅動電壓下，軟體爬行機器人的運動時間與位移關系如圖11所示．從圖中可以看出，軟體爬行機器人連續(xù)爬行的平均速度與電機驅動電壓成正比．當電機驅動電壓從9 V增大至12 V時，軟體爬行機器人的運動周期由2.4 s縮短至1.6 s，爬行頻率提升了50%．

3.2 轉向運動

在直線運動的基礎上，較容易實現(xiàn)三足軟體爬行機器人的轉向運動，即保持后左腿(后右腿)不動即可．修改控制器編程，進行不同驅動電壓下的轉向實驗．在驅動電壓為12 V時，軟體爬行機器人轉向運動過程如圖13所示．

(a) t=0 s

軟體爬行機器人通過固定后腿中的一條來實現(xiàn)轉向運動，隨著動作腿的牽拉，不可避免使固定腿向前移動一定的位移．如圖13(d)所示，5次左轉后，固定腿向前移動的平均位移小于20 mm．不同驅動電壓下，軟體爬行機器人轉向運動的結果及其誤差線如圖14所示．從圖中可以看出，單次轉向運動的最大轉向角θ約為8°，平均轉向速度為5.06°/s，且驅動電壓對轉向角影響不大．此外，通過實驗可知，轉向角θ與后腿的彎曲狀態(tài)及爬行面的摩擦因數(shù)正相關．

圖14 軟體爬行機器人轉向次數(shù)與方向角的關系

根據(jù)爬行和轉向的實驗結果分析，本文所提出的軟體爬行機器人的爬行和轉向速度均達到了較好的水平．在表4中，比較了一些不同研究者研發(fā)的軟體爬行機器人的爬行和轉向性能．

表4 不同軟體爬行機器人的性能對比

3.3 路徑規(guī)劃運動

為使軟體爬行機器人到達指定位置，以測試軟體爬行機器人直線與轉向運動結合的能力，進行了路徑規(guī)劃實驗．設置指定目標(小球)位于軟體爬行機器人正前方130 mm、偏轉角30.6°的位置，如圖15所示．根據(jù)軟體爬行機器人直線運動和轉向運動的實驗結果，將驅動電壓設為9 V，按照平均速度v、最大轉向角θ和爬行路徑完成運動規(guī)劃和繼電器信號的編程，進行指定路徑實驗．

圖15 指定目標的初始位置(t=0 s)

整個爬行過程分為轉向、爬行、再轉向、再爬行4個階段，如圖16所示．首先，進行兩次左轉運動，使軟體爬行機器人前端與小球在同一條直線上，轉向的時間共4.8 s，向左偏轉了約15°，如圖16(b)所示．然后，進行4次直線爬行運動，用時為9.6 s，軟體爬行機器人前進了82 mm，此時距小球30 mm，偏轉角約為21.6°，如圖16(c)～(f)所示．最后，左轉一次，如圖16(g)所示，繼續(xù)直線爬行，即可到達指定目標位置，整個過程用時24.0 s．

(a) t=2.4 s 轉向

在路徑規(guī)劃實驗過程中，軟體爬行機器人共進行了10個周期的運動，成功到達了指定位置，驗證了其爬行與轉向運動的連續(xù)性及切換能力．

4 結 語

本文設計并制作了一種具有轉向功能的電機-線纜驅動三足軟體爬行機器人，由3D打印的軀干和硅膠腿組合制造而成．機器人前后腿采用鋸齒形結構以減少接觸面積，末端分別固定有摩擦滑塊結構用以輔助機器人爬行．實驗驗證了該軟體爬行機器人的運動能力，即每個周期可爬行20 mm以上、最大轉向角可在8°以上，可以實現(xiàn)連續(xù)爬行和切換運動模式的路徑規(guī)劃功能．

未來在繼續(xù)優(yōu)化軟體爬行機器人整體結構的基礎上，利用多體動力學方法分析軟體爬行機器人的運動，優(yōu)化結構設計，提高爬行速率；同時進一步優(yōu)化驅動電機的控制策略，解決電機響應延遲等問題，使軟體爬行機器人實現(xiàn)復雜環(huán)境中的高效運動．