孟軍輝， 馬諾， 胡睿， 金澤華， 李文光， 劉莉

(北京理工大學 宇航學院, 北京 100081)

0 引言

在城市環(huán)境作戰(zhàn)中，廢墟縫隙往往是連接建筑與外界僅有的通路，對此類空間的利用將對作戰(zhàn)與救援行動的效率具有顯著的積極意義。然而，由于此類通路具有尺寸細長狹窄、結構曲折復雜、環(huán)境惡劣多變等特點，傳統(tǒng)的偵查感知設備往往受限于體積和運動模式，難以迅速有效地進入及通過，進而實現(xiàn)對建筑、掩體內部敵軍的探測與打擊。針對狹窄曲折空間的利用問題，國內外針對一些小型機器人系統(tǒng)開展了相應的研究[1-4]。傳統(tǒng)剛性機器人通常由剛性模塊通過運動副連接構成，通過有限的自由度實現(xiàn)模塊間或模塊與環(huán)境空間位置的相對運動。此類機器人傳動精確、承載能力強、技術成熟，但剛硬復雜的結構導致其環(huán)境適應性較差，無法通過小于機器人特征尺寸或曲折復雜的通道[5]。隨著機器人技術的快速發(fā)展，具有更加優(yōu)異仿生性能的軟體機器人逐漸成為現(xiàn)階段的研究熱點之一。軟體機器人由可連續(xù)變形的柔性材料制成，可在更大范圍內改變自身形狀和尺寸，驅動其末端執(zhí)行器到達工作空間內的任意位置。

現(xiàn)有軟體機器人的行進主要通過多足行走或蠕動爬行的方式實現(xiàn)。如Tolley等[6]研制的氣壓驅動軟體機器人采用四足步態(tài)進行運動，完全柔性的結構使其可承受高強度的碾壓；Onal等[7]研制的仿生蛇軟體機器人通過表面非均勻的摩擦力與波狀蠕動協(xié)調前進，實現(xiàn)了較高的速度；Sangok等[8]研制的形狀記憶合金(SMA)驅動仿蠕蟲軟體機器人，采用波狀傳遞收縮與延伸的方式向前蠕動。此類運動方式對于復雜環(huán)境的適應具備初步意義，但本質上仍依靠機器人局部與環(huán)境的交替接觸與分離實現(xiàn)運動，在實際應用中存在一定的限制。另一方面，受限于微電子和能源等相關技術，采用無線信號傳輸方案的機器人活動范圍與續(xù)航能力都較為有限，難以投入實際工程應用，而有線方案需考慮線纜受環(huán)境的影響等諸多衍生問題[6]。因此，需要針對軟體機器人的運動原理與能源、信號供給方案開展更為深入的研究。

受藤蔓等植物尖端生長的啟發(fā)，Mishima等[9]設計了一種充氣自生長軟體機器人方案，其運動模塊為一條管狀薄膜囊體，通過充氣外翻生長運動，能夠有效通過尺寸顯著小于自身直徑的狹窄縫隙、曲折管道。該方案通過線纜傳遞能源與信號，相較于傳統(tǒng)無線機器人，在續(xù)航與抗干擾能力上有顯著優(yōu)勢，且線纜包覆于囊體之內，能夠有效保護線纜并動態(tài)匹配運動模塊。在該方案的基礎上，國內外一些學者開展了相關研究以探索此類結構的應用價值，如內窺鏡[10]、天線支撐結構[11]、干砂土挖掘[12]、抓握裝置[13]等。該類軟體機器人具有較強的環(huán)境適應能力，但薄膜材料高度的柔性導致傳統(tǒng)的柔性結構轉向驅動方案難以適用，在保持充氣軟體結構快速生長、高度的縫隙滲透等能力的前提下，高精度、可逆的大角度方向主動控制方案設計仍存在一定挑戰(zhàn)。

針對自生長軟體機器人的主動轉向問題，現(xiàn)有研究大致可分為兩類：

第1類為釋放型方案，該方案將壓力囊體沿軸向分為若干單元，每個單元內設置約束性機構或結構，在其展開前軸向長度小于囊體，通過在轉向的相反側放開囊體形成長度差，實現(xiàn)轉向。如Hawkes等[14]提出了采用剛性鎖閂的轉向方案，通過控制鎖閂的非對稱展開形成對一側的約束，從而實現(xiàn)較大角度的轉向，如圖1所示。該方案中剛性部件的引入將對其狹窄縫隙的通過能力形成限制，已展開的鎖閂無法再次閉合，發(fā)生轉向的部位也無法再次改變方向[15]。Cinquemani等[16]提出采用張線約束囊體，切斷絲線以形成長度差的主動轉向方案，如圖2所示。為避免切割模塊損傷囊體，張線被布置于囊體外側，而這一布局需要囊體尖端的切割模塊徑向超過囊體，同樣導致其難以穿越小于自身直徑的狹小縫隙。此外，切割的有效性難以保障，進一步造成機器人運動能力的損失。由于單元上的機構展開尺度確定，釋放型方案利于實現(xiàn)通過較小的轉向半徑精確實現(xiàn)較大的轉向角度。然而機構與輔助設備多需選用剛性結構以實現(xiàn)預期的釋放模式，將不可避免地與自生長軟體機器人壓縮自身直徑以滲透穿越狹小縫隙的功能相沖突。此外，該方案往往在相同位置僅能展開一次，無法恢復約束狀態(tài)反復使用，即控制的可逆性較差。

圖1 剛性鎖閂轉向方案原理示意[10]Fig.1 Schematic of the rigid latch control scheme[10]

圖2 張線轉向方案原理示意[16]Fig.2 Schematic of the rigging control scheme[16]

第2類為引曳型方案，通過在壓力囊體周向布置連續(xù)的伸縮作動器，引曳轉向側囊體形成長度差。如Joseph等[15]與Ozkan-Aydin等[17]則提出了在壓力囊體外黏附氣壓驅動人工肌肉的轉向方案，通過驅動轉向側的人工肌肉收縮引曳壓力囊體，如圖3所示。氣壓人工肌肉作動時存在較嚴重的幾何非線性，同時長度損失導致的誤差將隨壓力囊體的生長累加[18]，不適合在長距離任務中采用。李沫寧等[19]出于相似的原理提出采用多腔室非對稱充壓的轉向方案，將壓力囊體獨立出多個方向控制腔室，通過對獨立腔室充壓改變囊體的整體形態(tài)。其展示的仿真與試驗結果均表明該方案所產生的轉角較為有限，難以服務于工程實際。引曳型方案多采用與壓力囊體性質相近的薄膜材料作動器，避免了對機器人運動性能的影響，亦具有良好的可逆性。由于此類柔性作動器的最大行程往往受到非驅動方向的特征尺寸限制，難以在有限的空間內形成較大的偏轉角度。同時作動器行程與驅動信號存在較強的非線性關系，亦對機器人的精確控制提出了較高的要求。

圖3 人工肌肉轉向方案原理示意[11]Fig.3 Schematic of the artificial muscle control scheme[11]

總體而言，在保持充氣自生長軟體機器人充氣迅速生長、壓縮直徑滲透穿越狹小縫隙等性能的前提下，能夠實現(xiàn)高精度、大角度且多次可逆的主動方向控制技術仍是此類機器人實用化所需面對的主要難題之一。為了進一步提高自生長軟體機器人的運動能力，本文基于對軟甲亞綱動物腹節(jié)的模仿，將非對稱褶皺和周向分布式氣囊設計與自生長軟體機器人設計相結合，有效實現(xiàn)了對自生長軟體機器人的主動轉向控制。在此基礎上，完成了自生長軟體機器人設計，并構建了與之對應的數(shù)學與有限元運動模型。經仿真與試驗證明，該方案能夠有效地實現(xiàn)對自生長軟體機器人轉向的較高精度可逆主動方向控制。本文工作為此類軟體機器人的主動轉向驅動提供了新的方案，對其后續(xù)的發(fā)展具有一定的積極意義，并給出軟體機器人利用狹窄縫隙空間對內部敵人輔助監(jiān)視打擊的新思路。

1 自生長軟體機器人設計

1.1 設計依據(jù)

采用硅橡膠等柔性材料的軟體機器人多數(shù)通過氣壓、液壓或智能材料驅動，以實現(xiàn)蠕動、爬行或游動等運動形式[20-23]。從運動原理上，此類軟體機器人仍依靠機器人局部與環(huán)境的交替接觸和分離實現(xiàn)運動，因此對于砂石瓦礫、沼澤等復雜環(huán)境介質適應性較差。而從結構性質上，完全剛硬的機器人無法通過小于自身特征尺寸的縫隙或通道，而完全柔軟的結構受重力等因素的影響，也難以通過溝壑、墻壁等顯著大于自身特征尺寸的環(huán)境障礙，如圖4所示。如何將機器人“剛性”和“柔性”有效結合，通過結構和材料設計有效提升機器人直行和轉向能力，并增強其環(huán)境適應性，日益成為軟體機器人的設計重點[24-25]。

圖4 結構性質單一的機器人局限性示意Fig.4 Limitations for robots with single structural properties

自然界中藤蔓等植物組織通過尖端生長實現(xiàn)整體長度的延伸，已展開組織與環(huán)境相對靜止，尖端持續(xù)生長的運動模式使其始終保持組織的展開狀態(tài)與環(huán)境特征靜態(tài)匹配，受到的剪切力與摩擦均被限制在較低水平[10,26]，因此對狹窄曲折空間適應性較強；蝦蛄等軟甲亞綱動物腹節(jié)通過韌帶組織連接覆甲腹節(jié)，在肌肉的驅動下，韌帶組織分別形成褶皺折疊與充分展開以實現(xiàn)不同彎曲體態(tài)?；谏鲜龇律鷮W原理，本文設計了一種多分布囊體結構的自生長軟體機器人，以實現(xiàn)任務載荷等的運輸和投遞，在此基礎上，引入與薄膜材料高度相容的非對稱褶皺轉向輔助結構，實現(xiàn)高精度、可逆、大角度的主動方向控制，其設計依據(jù)如下：

1)基于仿生學原理，通過驅動氣室材料尖端外翻，并同時約束外側而放開內側的設計，實現(xiàn)尖端自生長運動；以充氣壓力控制囊體剛度，實現(xiàn)剛和柔相結合，將機器人的環(huán)境適應性最大化；

2)為實現(xiàn)主動方向控制，引入四周分布氣室布置和柔性非對稱褶皺設計，通過對周向分布氣室的非對稱充壓和褶皺的差動展開形成轉向驅動力矩，實現(xiàn)機器人尖端自生長過程中的高精度、可逆、大角度的主動轉向；

3)為保證能源與信息高效持續(xù)傳輸，通過光電線纜連接本體與尖端載荷，實現(xiàn)了較強的續(xù)航能力。同時線纜包覆在氣室中，得以在復雜環(huán)境中保證線纜與軟體結構協(xié)同運動。

1.2 自生長軟體機器人結構設計

1.2.1 自生長軟體機器人總體構成

自生長軟體機器人主要由尖端載荷、光電線纜、壓力囊體和本體構成，如圖5所示。尖端載荷主要承擔任務職能，根據(jù)實際需要搭載不同的任務載荷。壓力囊體為柔性充氣膜結構，作為系統(tǒng)的運動模塊，用于運送尖端載荷并容納光電線纜。本體部分為剛性的壓力容器，主要用于維持整個系統(tǒng)的氣密、收卷壓力囊體、容納其他組件，并為載荷提供能源和控制信號，在尖端載荷移動過程中保持位置固定。

圖5 自生長軟體機器人結構示意Fig.5 Configuration of the self-growing soft robot

相比傳統(tǒng)采用硅橡膠或氣凝膠等完全柔性的結構設計，自生長軟體機器人可通過調整充氣壓力控制壓力囊體剛度，進而適應各種環(huán)境與工況：在通過縫隙、管道等小于自身特征尺寸的狹窄曲折通道時，此類機器人可降低自身剛度以提高結構靈活性，以相對于環(huán)境剛度較柔的形式通過；當通過階梯、溝渠等遠大于自身特征尺寸的結構或設施，需要進行垂直或水平障礙跨越時，此類機器人可增加充氣內壓，以相對于自身結構較剛的形式實現(xiàn)跨越。

1.2.2 分布式多腔室膜結構設計

在現(xiàn)有的軟體機器人研究中，為實現(xiàn)多運動自由度間的解耦，多采用多腔室設計[27]。通過將腔體空間分割，該布局能夠實現(xiàn)對運動功能的獨立分配。為有效實現(xiàn)壓力囊體在各方向的有效轉向并將相互干涉與交連最小化，本文采用分布式腔室的囊體膜結構方案。如圖6所示，壓力囊體由4條寬度為80 mm、厚度為0.05 mm的雙向拉伸聚烯烴收縮膜(POF)筒膜在邊緣熱合形成，熱合寬度約3 mm。其中內側膜體所形成的中部空腔將用于容納光電線纜，該部分囊體外翻后形成的腔室作為直行腔室操縱壓力囊體外翻生長，每條筒膜將作為方向控制腔室，用于控制囊體轉向。

圖6 壓力囊體結構示意Fig.6 Capsule structure

由于多腔室壓力囊體的截面幾何具有自相交性，需要設計形狀對應的囊體夾持裝置，在保證氣密的前提下實現(xiàn)對各腔室的有效夾持。本文所設計的囊體夾持裝置如圖7所示，由緊固環(huán)、直行腔室夾持塊、方向控制腔室夾持塊和密封墊圈組成；直行腔室夾持塊在囊體夾持裝置中起到保持裝置整體形狀、定位囊體與其他零件、形成氣路等作用；多個方向控制腔室夾持塊與直行腔室夾持塊配合形成完整的圓臺形，以配合緊固環(huán)；緊固環(huán)則用于最終與腔室夾持塊組配合并提供預緊力以夾持壓力囊體。

圖7 囊體夾持裝置結構示意Fig.7 Structure of the capsule holder

1.2.3 非對稱褶皺轉向輔助結構設計

傳統(tǒng)的多腔室軟體機器人所采用的硅橡膠等基體材料多為超彈性體，可通過調節(jié)氣壓較大程度地改變腔體的形狀與剛度，實現(xiàn)驅動[20]。對于膜結構，在被充分張緊后充氣內壓對剛度的貢獻將不會繼續(xù)增加[28]，在破壞前所能夠形成的變形量也較為有限。因此單純的腔室膜結構難以實現(xiàn)對軟體機器人的轉向驅動，仍需針對性開展相關研究，實現(xiàn)對充氣膜結構高效精確的可逆控制。自然界中的蝦蛄等軟甲亞綱海洋底棲動物需要在珊瑚、礁石的縫隙與洞穴中穿行，同時依靠堅硬的外骨骼御敵，因而演化出特殊的覆甲腹節(jié)結構。如圖8所示。其腹節(jié)甲殼間由柔性的韌帶組織連接，在內凹彎曲時，甲殼邊緣交錯，韌帶反向伸展；外凸彎曲時，甲殼邊緣分離，韌帶正向伸展。通過韌帶的不同姿態(tài)，分別形成與腹節(jié)下部的長度差，改變體態(tài)。

圖8 蝦蛄腹節(jié)結構彎曲原理示意Fig.8 Curvature of Malacostraca abdominal segments

基于對上述仿生學原理的參考，本文將軟甲亞綱海洋動物的覆甲腹節(jié)結構與充氣膜結構相結合，提出非對稱褶皺轉向輔助結構。由于筒膜材料對擠出工藝的要求，對非對稱褶皺結構的一次成型仍較難以實現(xiàn)，因此本文通過在現(xiàn)有筒膜材料的基礎上二次附加約束的方法對壓力囊體進行制作。該輔助結構主要設計參數(shù)為褶皺寬度與褶皺間距，具體制作方法如圖9所示。首先將筒膜壓平，并沿軸線方向折疊，形成寬度確定的Z形褶皺；其次固定單側褶皺，此時雙側褶皺在展開能力上形成非對稱；最后根據(jù)確定的褶皺間距在筒膜上重復布置多組結構，作為壓力囊體的方向控制腔室。

圖9 非對稱褶皺轉向輔助結構工藝示意Fig.9 Process for realizing the asymmetrically folded auxiliary structure

非對稱褶皺轉向輔助結構的驅動原理如圖10所示，當需要進行轉向驅動時，對方向控制腔室進行充壓，此時在薄膜張力的作用下，未固定側褶皺將展開，而固定側褶皺則無法展開，形成雙側的長度差，實現(xiàn)轉向。在向相反方向驅動時，先前展開的非固定側褶皺將在對側控制腔室的壓力下，沿工藝形成的預設折痕折疊，恢復至展開前的狀態(tài)，從而保障單次轉向驅動精度不會受到先前轉向影響。由于未引入剛性零件，該轉向輔助結構幾乎不會影響囊體穿越狹窄縫隙的能力；預置的褶皺對側薄膜的展開不會造成壓力囊體總體長度的收縮，展開長度固定，確保了較高的作動精度與方向控制可逆性；同時相比現(xiàn)有方案較大程度地簡化了工藝，在制造方面同樣具備優(yōu)勢。

圖10 非對稱褶皺轉向輔助結構驅動原理示意Fig.10 Working mechanism of the asymmetrically folded auxiliary structure

1.3 自生長軟體機器人本體設計

自生長軟體機器人本體零件主要通過3D打印制作，包括外殼、保持架、囊體導向與回卷裝置和囊體夾持裝置4部分，如圖11所示。其中囊體夾持裝置、囊體導向與回卷裝置固定在形狀適配的保持架中，整體置于外殼中。囊體導向與回卷裝置具體由伺服電機、傳動軸、囊體收納輪與收納輪軸構成。伺服電機提供軟體回卷時的驅動力，傳動軸通過錐齒輪和一對直齒輪將伺服電機的收卷運動傳遞至囊體收納輪。囊體收納輪用于與收納輪軸共同夾持囊體，同時起到收卷囊體的作用。壓力管線為提供氣體壓力的軟管，穿過外殼連接囊體夾持裝置與氣源，分別為不同的氣室供氣。管線上均連接有各種氣壓元件，用于形成傳動回路。

圖11 自生長軟體機器人結構示意Fig.11 Structural of the self-growing soft robot

2 自生長軟體機器人運動過程分析

2.1 運動原理分析

自生長軟體機器人的直行原理如圖12所示。壓力囊體一端固定于本體末端，一端收卷于本體內部。工作時需通過外接氣源提供氣壓與流量，使囊體與氣源、本體形成回路。在內壓的作用下，從本體外殼的中部向外翻出生長。由于生長部分從收卷端提供，已展開部分得以與環(huán)境保持靜止，從而避免了由于運動導致的碰撞、磨損、撕裂等損壞。另一方面，外翻生長的運動方式可以使壓力囊體與環(huán)境更為有效地貼合，結合充氣膜結構較高的柔性，有助于快速穿越狹窄曲折空間。

圖12 自生長軟體機器人直行原理示意Fig.12 Growing mechanism

非對稱褶皺轉向輔助結構獨立且對稱分布于四個方向控制腔室，由于各方向上的固定褶皺同時形成約束，在生長時不會對直行形成影響。而在轉向時，非固定側褶皺結構幾乎無法承受對側腔室驅動時形成的壓力，不會對相反的轉向指令形成阻礙，具有良好的可逆性，如圖13所示。由于非固定側褶皺的最大展開范圍存在限制，轉向效果可通過設計褶皺寬度與間隔進行調整，因此具備較高的精度。輔助結構單純由膜結構組成，具備與囊體同等的柔性，不會干涉其穿越縫隙的能力。此外，得益于非對稱褶皺較為靈活的展開與復原方式，在環(huán)境約束下的褶皺在充壓狀態(tài)下也不會展開，而氣壓控制信號將沿壓力控制腔室傳遞，并在具有充足空間的位置驅動褶皺展開，確保了壓力囊體的主動控制與在環(huán)境約束下的被動控制不會發(fā)生沖突。

圖13 自生長軟體機器人轉向原理示意Fig.13 Controlling principle of the soft robot

2.2 運動控制回路設計

壓力囊體的生長直行與轉向都通過氣壓驅動，因此采用氣壓傳動控制回路對自生長軟體機器人進行運動控制，其氣壓傳動簡圖如圖14所示。動力元件采用雙向氣壓泵實現(xiàn)對生長與回卷的驅動；直行功能通過三位三通電磁換向閥控制開關，通過調速閥實現(xiàn)對生長速度的控制；回卷則通過壓力開關啟動伺服電機與空氣壓縮機共同驅動；轉向功能按方向通過兩個二位三通電磁換向閥進行控制。

圖14 氣壓控制回路簡圖Fig.14 Air-pressure control circuit

尖端載荷在壓力囊體生長時保持于尖端，其結構如圖15所示。尖端載荷通過自主導航接近目標，并將目標信息以圖像形式返給尖端載荷中的光學傳感器和人工智能圖像識別模塊，構建基于深度圖的點云地圖，如圖16所示。處理后的環(huán)境信息將通過控制信號進一步返還給本體，最終實現(xiàn)自生長軟體機器人根據(jù)目標信息進行本體運動姿態(tài)調整。轉向方案控制回路示意如圖17所示。所選用的相機模塊為美國Omnivision公司生產的OV7725(分辨率為640×480、每秒傳輸幀數(shù)為30)。

圖15 尖端載荷結構示意Fig.15 Structural configuration of the functional load

圖16 尖端載荷圖像采集與點云地圖構建Fig.16 Image acquisition and point cloud mapping of the functional load

圖17 控制回路示意Fig.17 Diagram of the control circuit

3 非線性動力學建模

3.1 數(shù)學模型構建

3.1.1 直行

對于方向控制腔室未展開，僅有直行腔室工作的壓力囊體，假設壓力囊體對其內部氣體無阻尼，即生長速度等于流速，則在氣源常壓下，生長速度為

(1)

式中：QV為氣源體積流量；A為壓力囊體通流截面積；QM為質量流量；ρ為此時的氣體密度。對于壓力氣體，密度可視作壓強的函數(shù)，即

ρ=ρ(p)

(2)

(3)

由于壓力囊體在張緊時半徑幾乎不變，可近似認為對于幾何參數(shù)給定的壓力囊體，在壓力囊體結構完全張緊到失效前的范圍內，任意壓強下壓力囊體生長速度為

(4)

3.1.2 轉向

對于單個褶皺，其所在方向控制腔室充壓后形狀示意如圖18所示，根據(jù)幾何關系可得其產生的轉角θ0為

(5)

式中：w為褶皺寬度；r為壓力囊體半徑。則壓力囊體總轉角θ與總法向位移S分別為

θ=nθ0

(6)

(7)

式中：n為褶皺數(shù)目；l為褶皺間距；m為褶皺間壓力囊體直線段數(shù)目。則囊體轉向時的曲率半徑rL為

(8)

式中：L為囊體生長長度。

圖18 方向控制腔室參數(shù)示意Fig.18 Parameters of the controlling chamber

3.2 有限元模型構建

氣室充氣過程涉及到氣體高速流動、氣體與氣室相互作用等復雜物理現(xiàn)象。為控制運算分析成本，本文采用控制體積法對自生長軟體機器人的運動過程進行分析?？刂企w積法將氣室視為一個可控制的體積，充氣過程為絕熱過程，充氣氣體視為具有恒定比熱的理想氣體，在控制體積內溫度和壓強均勻一致，能夠很好地描述展開后期與環(huán)境相互作用的效果[29]。在此基礎上，選用適合大變形分析的fabric氣囊材料模型，通過Belytschko-Tsay薄膜單元算法開展分析，并采用罰函數(shù)法處理其相互折疊后氣室單元之間的接觸。通過設置黏性阻尼系數(shù)，降低氣室展開速度，用來減小由于氣體充入氣室時動能引起的過大變形[30]。囊體根部設置固支約束，所采用的材料為POF，其力學參數(shù)與初始有限元模型參數(shù)分別如表1、表2與圖19所示。

表1 壓力囊體力學性能參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the pressure capsule

表2 壓力囊體幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of the pressure capsule

圖19 壓力囊體有限元模型Fig.19 FEM model of the capsule

4 試驗結果與對比

為驗證非對稱褶皺轉向方案的有效性與所建立數(shù)學模型的準確性，以典型城市環(huán)境為場地，通過試驗方法對2.1節(jié)所設計的自生長軟體機器人運動性能進行測試，內容分為運動性能以及越障性能兩部分。其中，運動性能試驗分為直行速度試驗與轉向角度試驗，越障性能試驗則分為縫隙穿越試驗與障礙跨越試驗。

4.1 運動性能試驗

4.1.1 試驗步驟

在直行速度試驗中，采用POF制作自生長軟體機器人中的壓力囊體。此類材質的薄膜具有光潔、承拉能力較強等特點，有助于減小囊體間干涉，因此在同等壓力條件下具有理想的生長速度，其幾何及材料選取與有限元模型保持一致。為研究充氣壓力對生長速度的影響效果，在不同壓力下對該壓力囊體進行直行試驗測試。試驗場地為室外地磚路面，測試距離為3 m，如圖20所示。通過高幀率設備錄制整個生長過程，計算囊體生長速度，試驗重復3次，取均值作為最終結果。

圖20 直行速度試驗示意Fig.20 Growing speed experiment setup

在轉向試驗中，為研究褶皺參數(shù)對轉向效果的影響，分別對不同褶皺間隔與寬度的壓力囊體進行轉向驅動，記錄其法向位移，并聯(lián)立(9)式、(10)式與(8)式計算曲率半徑與轉向角度：

(9)

θ=f-1(S)

(10)

試驗場地與器材如圖21所示，在囊體尖端內側粘貼直徑為1 cm的黑色標記貼紙，使其盡量靠近囊體軸線。取長度為1 m的鋁型材平行固支于地面，將兩枚T型螺栓固定于激光測距儀，沿鋁型材槽道緩慢滑動，取突變時的讀數(shù)作為囊體法向位移，試驗重復3次，取均值作為最終結果，如圖22所示。在此基礎上為驗證該轉向方案可逆性及各向性質，對于設置非對稱褶皺的壓力囊體，生長出100 cm后進行轉向驅動并記錄其轉向角度，并測試其轉向后向反側二次轉向效果，如圖23所示。

圖21 轉向試驗場地示意Fig.21 Site of the steering experiment

圖22 轉向試驗示意Fig.22 Steering experiment setup

圖23 轉向方案可逆性及各向性質試驗示意Fig.23 Reversibility and isotropic property of the steering scheme

4.1.2 試驗結果分析

壓力囊體直行速度的理論推導及試驗結果對比如表3所示，所建立的自生長軟體機器人直行運動數(shù)學模型總體上較為準確，在表壓大于200 kPa時誤差均小于5%，可以有效描述該自生長軟體機器人直行運動速度。其中，囊體直行速度隨氣體壓強上升近似呈線性關系，模型預測值均高于試驗結果，推測主要由于壓力囊體在外翻過程中內部生長側與外部固定側存在摩擦，導致速度有所下降。誤差隨壓強上升而下降，表明摩擦對壓力囊體運動的影響比例逐漸下降，符合實際。模型在零表壓時誤差較大，推測除摩擦力影響較大外，此時由于內壓無法使膜結構完全張緊，導致較大的速度損失。

表3 直行速度對比Table 3 Comparison of growing speeds

壓力囊體轉向試驗結果如表4所示。囊體的有限元模型分別按照褶皺寬度為0.5 cm的試驗樣件組建立，結果如圖24所示，由于未設置環(huán)境摩擦阻尼，有限元仿真結果為在壓力氣囊轉向平面內的近似諧振動。為簡化分析，取振動周期內的均值視作有效結果，如圖25所示。理論推導、仿真與試驗結果對比如表5所示。所構建的數(shù)學模型與仿真結果的相對誤差均約5%，因此認為具有較高的精度。推測誤差主要來源于樣件加工過程，較短的褶皺間距離有助于控制測量與加工的誤差?？傮w而言，能夠較為有效地反映自生長軟體機器人的轉向趨勢，認為在加工精確的前提下，所建立的數(shù)學模型可較準確地描述壓力囊體的運動規(guī)律。

壓力囊體轉向試驗結果表明，囊體轉向時的曲 率半徑隨褶皺寬度的增加而下降，隨褶皺間距的增加而增加，本文中所測試的樣件實現(xiàn)了最小曲率半徑4.6 cm的大角度轉向，展現(xiàn)出較強的操縱性。在囊體轉向后，二次轉向精度基本保持不變，誤差小于1°，推測為工藝導致。此外也可根據(jù)應用對褶皺參數(shù)進行設計，實現(xiàn)多種幅度、形態(tài)、尺寸的作動效果，具有較高的設計自由度，如圖26所示。在工程應用中，囊體的褶皺分布規(guī)律可根據(jù)目標環(huán)境所需要的最小轉向半徑進行保守設計，但無需完全根據(jù)環(huán)境與路徑的真實特點安排褶皺的位置。對于環(huán)境信息已知的工況，亦可通過對褶皺布局的針對性設計提升囊體的運動效率。

表4 轉向試驗結果Table 4 Results of steering experiments

圖24 壓力囊體轉向仿真時間- 位移曲線Fig.24 Time-displacement curves in steering

圖25 壓力囊體轉向仿真結果Fig.25 Simulation results of steering

表5 轉向試驗、理論推導及仿真結果對比

圖26 各形態(tài)壓力囊體驅動效果Fig.26 Driving effects of the pressure capsule

4.2 越障性能試驗

4.2.1 試驗步驟

在縫隙穿越試驗中，選擇典型城市用雨水井蓋開展試驗。所選擇的平篦式雨水井蓋格柵間距2 cm寬，雨水井蓋吊裝孔直徑2 cm。在縫隙穿越試驗中，將氣源調壓至500 kPa，驅動壓力囊體外翻分別生長穿越井蓋，如圖27所示。在此基礎上，為驗證轉向輔助方案與穿越縫隙性能的兼容性，采用建筑排水管材搭建試驗場地，管道直徑4.6 cm，總長度50 m，末端連接直徑2.8 cm的變徑接頭。囊體褶皺參數(shù)如圖28所示。將空氣壓縮機調壓至800 kPa，驅動壓力囊體外翻沿管道生長，并在完成穿越后驅動轉向，如圖29所示。

圖27 縫隙穿越試驗示意Fig.27 Gap-crossing experiment

圖28 縫隙穿越試驗囊體褶皺參數(shù)示意Fig.28 Parameters of capsule folds in a gap-crossing experiment

圖29 縫隙穿越與轉向兼容效果試驗結果示意Fig.29 Results of compatibility between gap-crossing and steering experiments

垂直障礙跨越試驗選擇在建筑外墻體開展，將空氣壓縮機調壓至500 kPa，驅動壓力囊體外翻向上方垂直生長，如圖30(a)所示。在觀測到囊體屈曲或脫離墻面時立刻停止供氣，測量囊體生長長度。水平障礙跨越試驗選擇在階梯間，寬約3 m的綠化帶開展，將空氣壓縮機同樣調壓至500 kPa，驅動壓力囊體外翻水平生長，如圖30(b)所示。整個過程通過高碼率設備錄制，判斷囊體尖端觸地時的生長長度。試驗重復3次，取均值作為最終結果。

圖30 障礙跨越試驗示意Fig.30 Barrier-striding experiments

4.2.2 試驗結果分析與應用討論

在縫隙穿越試驗中，壓力囊體有效穿越了最小尺寸為直徑2 cm的小孔。在此基礎上，在管道內穿行超過50 m，并通過直徑2.8 cm的小孔，實現(xiàn)了曲率半徑6.2 cm的65°主動轉向，表明所設計的自生長軟體機器人在較長的任務距離下，能夠同時實現(xiàn)穿越縫隙以及大角度主動轉向，在狹窄環(huán)境適應性及操縱性方面具備一定的優(yōu)勢。在障礙跨越試驗中，壓力囊體分別實現(xiàn)了6.3 m的垂直與3.6 m的水平跨越能力，表明所設計的自生長軟體機器人在立體復雜環(huán)境下同樣具有良好的適應性。

在工程實際中，自生長軟體機器人主要用于內部信息欠缺的狹窄復雜環(huán)境。其涉及的工況可主要分為狹窄曲折縫隙、分岔路徑、開闊空間及其與狹窄路徑的突然切換幾類，如圖31所示。在狹窄曲折縫隙中，機器人可利用其外翻生長的特點貼合環(huán)境前進，而無需進行主動方向控制。遭遇分岔路徑時，可通過主動控制對所需探索的路徑進行選擇，此時已展開的囊體結構在環(huán)境的約束下，僅有尖端部分會響應控制信號。而在開闊空間中，缺乏環(huán)境約束的囊體會根據(jù)控制信號形成對應的彎曲變形，但不會對尖端的控制與姿態(tài)形成影響。在非對稱褶皺主動轉向方案的驅動下，自生長軟體機器人能夠實現(xiàn)在多種復雜環(huán)境下的通行與探測。

圖31 自生長軟體機器人復雜環(huán)境應用示意Fig.31 Applications of the self-growing soft robot in complex environments

5 結論

針對現(xiàn)有軟體機器人主動轉向方案難以兼顧大角度、高精度、可逆性以及縫隙穿越性能的不足，本文設計了一種具有非對稱褶皺結構的自生長軟體機器人，并針對直行能力、轉向能力等運動性能進行數(shù)學建模、有限元仿真與試驗驗證。得出以下主要結論：

1)基于仿生學原理設計了一種結合非對稱褶皺和周向分布式氣室設計的自生長軟體機器人，具有轉向形態(tài)設計自由度高、轉向精確可逆、不影響縫隙穿越性能等特點，并完成樣機制造。

2)采用試驗方法研究了自生長軟體機器人的直行和轉向運動性能，并驗證了自生長軟體機器人在典型城市環(huán)境下執(zhí)行縫隙穿越、垂直與水平越障任務的有效性，展現(xiàn)了軟體機器人利用狹窄縫隙空間對內部敵人輔助監(jiān)視打擊的潛力。

3)通過理論、仿真和試驗結合的方法，分析了氣壓、褶皺寬度、褶皺間距等設計參數(shù)對直行速度、轉向角度等性能的關系。為此類軟體機器人后續(xù)的研發(fā)與改進奠定基礎。