顏于博 張桂臣 劉雁集 張徐揚(yáng) 侯雨碩 寇子怡

（1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；3.上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306）

軟體機(jī)器人具有獨(dú)到的特性和使用場景。對傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人而言，它精準(zhǔn)的運(yùn)動控制、成熟的技術(shù)發(fā)展是明顯優(yōu)勢，但是其使用的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)也帶來了一定的劣勢，如對環(huán)境的適應(yīng)性差、容錯(cuò)率低，在一些細(xì)微、復(fù)雜的使用場景往往因?yàn)槌叽鐔栴}無法使用。因此，小尺寸、便捷的可伸縮軟體機(jī)器人逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]。

軟體機(jī)器人通常由可連續(xù)變形的柔性材料制成，可在更大范圍內(nèi)改變自身形狀和尺寸，以到達(dá)機(jī)器人工作空間的任意位置[1]。通常軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動和機(jī)器人自生長即可任意伸縮轉(zhuǎn)向的問題，因此需要結(jié)合仿生技術(shù)開展相關(guān)研究。伴隨機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的仿生機(jī)器人憑借自身優(yōu)異的性能在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，使得仿生研究成為重點(diǎn)開發(fā)方向[2]。譬如：韓奉林等研發(fā)的仿尺蠖機(jī)器人，通過仿生尺蠖的運(yùn)動，不斷充氣、吸附、放氣實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)動[3]；達(dá)文升等研發(fā)的電磁耦合驅(qū)動機(jī)器人，基于摩擦法的電磁變剛度方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的驅(qū)動[4]；柴延輝等設(shè)計(jì)的仿蠕蟲柔性機(jī)器人，通過三腔式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動[5]。

生活中，在醫(yī)療、汽修、警用領(lǐng)域常見的內(nèi)窺鏡，即一根頂端帶有微型高清近焦攝像頭通常由軟管包覆的信號傳輸線纜，是本文軟體機(jī)器人形態(tài)的基礎(chǔ)來源[6]。為實(shí)現(xiàn)可任意伸縮轉(zhuǎn)向功能，結(jié)合對日常生活中手套薄膜的內(nèi)翻充氣現(xiàn)象的研究，設(shè)計(jì)了仿藤蔓植物生長的機(jī)器人，如直徑小至幾微米的真菌菌絲和周長大至1 m的藤本植物。這些生物由它們的尖端生長開始，最終長度增加數(shù)百倍，并根據(jù)環(huán)境刺激不斷控制生長方向。因?yàn)閺捻敹碎_始延伸的延長不涉及其余身體相對于環(huán)境的運(yùn)動，所以身體可以沿著受約束的路徑延長。此外，因?yàn)榧舛说拿看芜\(yùn)動導(dǎo)致身體的方向受控伸長，所以身體沿著尖端生長的路徑形成三維（3 Dimensions，3D）結(jié)構(gòu)，如植物的篩管結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。

與內(nèi)窺鏡進(jìn)入環(huán)境部分長度的改變在使用途中伴隨著整個(gè)“身體的運(yùn)動”不同，本文的機(jī)器人采用從尖端“生長”的方案，即使用充氣薄膜的充氣和對氣體的控制，實(shí)現(xiàn)柔性薄膜的伸展。因此，仿生藤蔓植物機(jī)器人可以在工作原理上克服內(nèi)窺鏡的運(yùn)動控制和穩(wěn)定性欠佳的問題。此外，仿生導(dǎo)管、篩管的中空結(jié)構(gòu)也為軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)信號傳輸帶來了可能。

1 軟體機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟體機(jī)器人由主體部分、氣泵、氣閥和柔性薄膜組成。本文使用了SolidWorks軟件對機(jī)器人主體部分進(jìn)行建模并裝配，如圖1所示。其中，主體部分由電機(jī)、杯體、杯蓋、卷軸、旋轉(zhuǎn)軸和連接器組成。

圖1 軟體機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)示意圖

卷軸部分用于纏繞柔性薄膜，并在電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)不斷放松輸送薄膜，由上下兩個(gè)圓盤和中間一根打孔的圓柱組成。圓柱中間的孔洞和旋轉(zhuǎn)軸上的孔洞通過銷連接。旋轉(zhuǎn)軸通過連接器與電機(jī)連接，如圖2所示。杯體杯壁上留有空洞，用于氣泵氣體的輸入。輸入杯體的氣體用于直接驅(qū)動柔性薄膜中翻折的腔室。

圖2 卷軸與旋轉(zhuǎn)軸裝配示意圖

在柔性薄膜的腔室材料分析中，軟體機(jī)器人伸縮部分的材料應(yīng)具有足夠的密封性，且能承受一定的壓力，遵循基本原則。只要可以在壓縮空氣的推動下能夠從尖端延伸，就能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)向伸縮。因此，綜合考慮后本文選用了聚乙烯（Polyethylene，PE）高壓塑料作為原材料。如圖3所示，這種材料造價(jià)便宜且輕便，可以定制成各種樣式，用于各種場合。

圖3 PE高壓塑料實(shí)物

1.1 機(jī)器人伸縮原理

伸縮原理基于一個(gè)生活現(xiàn)象，即當(dāng)使用一次性手套時(shí)，一些手套的指頭部分會向內(nèi)翻卷，此時(shí)可以通過吹氣使指頭部分完全向外展開，這一過程可以看作是手套指頭的“生長”。在本文設(shè)計(jì)中，使用一個(gè)氣動泵來驅(qū)動PE高壓塑料薄膜實(shí)現(xiàn)這一原理，如圖4所示。該氣動泵對內(nèi)翻的PE高壓塑料薄膜內(nèi)部進(jìn)行加壓[7]。薄膜加壓設(shè)計(jì)在延長尖端的同時(shí)，能顯著改變整體長度。因?yàn)槲闯錃獾腜E塑料整體很薄，體積很小，因此可以大量圍繞在旋轉(zhuǎn)的卷軸上。存儲方式類似于生活中常見的透明膠帶、卷尺等。

圖4 薄膜伸縮原理

這樣的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人的長度變化具有高度可塑性，因?yàn)榭偵扉L長度的上限與線軸上塑料薄膜數(shù)量、線軸的直徑以及材料特性息息相關(guān)。本文使用的PE塑料薄膜厚度約為0.5 mm，轉(zhuǎn)軸本身直徑為30 mm，意味著充滿氣體的狀態(tài)下10 m長的塑料薄膜在未充氣時(shí)的收納體積僅為直徑不到40 mm的圓盤。

1.2 機(jī)器人轉(zhuǎn)向原理

汽車在過彎轉(zhuǎn)向時(shí)彎道外側(cè)的輪子轉(zhuǎn)速更高，速度更快。如果該機(jī)器人身體兩側(cè)“生長”的速度不對稱，那么尖端會向“生長”慢的一側(cè)彎曲。通過控制兩側(cè)“生長”的相對速度，可以控制彎曲的方向和速度。在自然界，這一現(xiàn)象類似于藤蔓植物的趨光性生長，即兩側(cè)植物細(xì)胞接受的生長素不均勻?qū)е律L速度存在差異。本文設(shè)計(jì)正是仿生這一現(xiàn)象，當(dāng)主體從卷軸中被充氣釋放的同時(shí)，可以選擇性地使主體的一側(cè)伸長速度相對于另一側(cè)快速實(shí)現(xiàn)彎曲。沿著機(jī)器人身體側(cè)面延伸的小控制室充當(dāng)控制輸入，當(dāng)腔室中的一個(gè)被充氣時(shí)，機(jī)器人身體從該側(cè)的尖端向外翻的部分將被加長。

本文機(jī)器人的柔性薄膜部分由5個(gè)氣室構(gòu)成，如圖5所示，其中上下左右4個(gè)氣室與中心最大的氣室膠黏合，負(fù)責(zé)控制“生長”的方向。例如，當(dāng)右通道充氣時(shí)，尖端的右側(cè)變長，導(dǎo)致整體左轉(zhuǎn)。因此，通過控制控制室的相對氣壓，實(shí)現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)向。這種方法既高效又簡單，不需要使用任何驅(qū)動器即可實(shí)現(xiàn)本體轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)彎是在分段的同時(shí)產(chǎn)生的，每一次轉(zhuǎn)彎都是永久性的，就像正在趨光性生長的藤蔓植物。機(jī)器人尖端運(yùn)動方向改變的原理如圖6所示[7]。

圖5 薄膜截面氣室

圖6 柔性機(jī)器人尖端運(yùn)動方向改變原理

2 軟體機(jī)器人工作流程

機(jī)器人的工作流程如圖7所示。根據(jù)機(jī)器人薄膜構(gòu)造的特點(diǎn)，想要各方向完整驅(qū)動“生長”構(gòu)造，需要5個(gè)不同的氣體輸入——身體的主要伸長和4個(gè)運(yùn)動方向的控制?？紤]結(jié)構(gòu)的簡潔性和易使用性，本文采用1個(gè)氣泵搭配5個(gè)氣閥的組合。前4個(gè)氣閥通過氣管直接與薄膜周圍的4個(gè)氣室相連，最后1個(gè)氣閥通過軟管與機(jī)器人杯體上的孔洞相連，負(fù)責(zé)主體伸長的驅(qū)動，如圖8所示。

圖7 軟體機(jī)器人工作流程

圖8 氣閥組實(shí)物

實(shí)際工作時(shí)，先由氣泵泵出氣體貯存在氣罐中，隨后手動打開運(yùn)動方向?qū)?yīng)的氣閥，同時(shí)電機(jī)工作，送出柔性薄膜。

使用SolidWorks軟件對模型進(jìn)行管道模擬，如圖9所示。在遇到第一個(gè)彎折管道時(shí)，薄膜的上氣室迅速充氣而下氣室少量充氣或者不充氣，連接杯體的氣閥勻速充氣，即可實(shí)現(xiàn)柔性薄膜的向下運(yùn)動。在遇到第二個(gè)彎折管道時(shí)，薄膜的下氣室迅速充氣而上氣室少量充氣或者不充氣，連接杯體的氣閥勻速充氣，即可實(shí)現(xiàn)柔性薄膜的向上運(yùn)動。

圖9 柔性機(jī)器人通過管道模擬

3 實(shí)物實(shí)驗(yàn)分析

基于三維模型的構(gòu)建搭建實(shí)物，并對主體的向前伸長功能進(jìn)行測試。如圖10所示，選用的柔性薄膜截面為圓形，并未包含其余控制方向的氣室。使用時(shí)先將柔性薄膜制作成較長的手指套形狀，并將開口處套住杯體外壁黑色部分，套牢后使用不漏氣的密封黏膠固定，然后將頂端向內(nèi)內(nèi)翻，使得其余部分進(jìn)入杯體并纏繞在卷軸上。此時(shí)可手動纏繞薄膜，也可以使用電機(jī)加速薄膜的纏繞。纏繞完畢后蓋上底座杯蓋，檢查氣密性，無誤后可打開分流氣閥，開始充氣。

圖10 柔性機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)物

圖11為剛開始未充氣時(shí)柔性薄膜的自然伸展長度，使用膠帶進(jìn)行標(biāo)注，以便與充氣伸長后進(jìn)行對比，可以看出柔性薄膜與地板的相對位置。

圖11 未充氣尖端初始長度標(biāo)記

如圖12所示，擰開氣泵開關(guān)，氣泵開始工作，為氣罐儲氣。一段時(shí)間后，待氣罐氣體充滿后，根據(jù)需求打開對應(yīng)的分流閥（此處為主氣室閥）與電機(jī)開關(guān)。電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，氣閥中氣體開始注入杯體，最終柔性薄膜在氣壓作用下開始向外伸長。

圖12 柔性機(jī)器人操作流程

由圖13膠帶標(biāo)志與地板的相對位置可以看出，柔性身體的“生長”是尖端的伸長，并不會導(dǎo)致整個(gè)身體與環(huán)境的相對運(yùn)動。這驗(yàn)證了本文對于原理的描述與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡式的機(jī)器人全身體運(yùn)動不同。該機(jī)器人伸長過的部分固定，與環(huán)境不產(chǎn)生相對運(yùn)動，摩擦損耗小，運(yùn)動更易控制且更加精準(zhǔn)。

圖13 柔性機(jī)器人充氣伸展后結(jié)果

4 結(jié)語

針對軟體機(jī)器人如何任意伸縮并控制其在各個(gè)方向上運(yùn)動的問題，結(jié)合仿生藤蔓植物的生長給出了解決方案，設(shè)計(jì)了一種以充氣為驅(qū)動方式的柔性薄膜機(jī)器人，并進(jìn)行了實(shí)物搭建，通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。仿生植物藤蔓的運(yùn)動方案在解決軟體機(jī)器人可任意伸縮轉(zhuǎn)向的問題上具有高度的可行性和實(shí)用性。設(shè)計(jì)的柔性機(jī)器人的上下左右各個(gè)腔室為空心結(jié)構(gòu)，對于填充物的要求較低，因此適用范圍廣，可以在現(xiàn)有的陸上機(jī)器人的基礎(chǔ)上改變填充物屬性，根據(jù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)水下液體填充的拓展功能，研發(fā)水下軟體機(jī)器人。此外，基于空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以在中間填充線纜，結(jié)合單片機(jī)的便利性，可以實(shí)現(xiàn)圖像或者信號的遠(yuǎn)距離傳輸。相比于窺鏡，該軟體機(jī)器人的精準(zhǔn)性和適用范圍更廣。由于軟體機(jī)器人傳動的簡便性，它可以搭配不同的電機(jī)使用，兼容性高。對于機(jī)器人所用的柔性薄膜來說，材料本身拓展性很高，得益于PE薄膜高度可定制的特性，氣室數(shù)量和形狀可以自由更改，如5氣室結(jié)構(gòu)可改變?yōu)?氣室結(jié)構(gòu)，圓形截面可以更改成六邊形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在空間上的多方向運(yùn)動。它具有優(yōu)秀的功能性，簡易便攜、造價(jià)便宜，在探測、救援領(lǐng)域都能發(fā)揮良好作用。譬如，復(fù)雜管道的檢修功能、廢墟救援的探測功能以及考古工作的偵察功能等。