摘要：【目的】模塊化軟體機(jī)器人具備高柔韌性與理論上的無(wú)限自由度，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求。為此，設(shè)計(jì)了一種仿蜂巢軟體驅(qū)動(dòng)單元，將多個(gè)該單元連接組成可以實(shí)現(xiàn)不同功能的模塊化驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人。【方法】對(duì)設(shè)計(jì)的仿蜂巢軟體驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了材料選擇與力學(xué)分析，建立了軟體驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部驅(qū)動(dòng)氣壓與變形量之間的非線(xiàn)性關(guān)系模型，并采用有限元仿真驗(yàn)證了該模型的有效性；基于仿蜂巢軟體驅(qū)動(dòng)單元模塊，設(shè)計(jì)了伸縮型軟體機(jī)器人和雙向彎曲型軟體機(jī)器人，并對(duì)兩種構(gòu)型的軟體機(jī)器人進(jìn)行有限元仿真；最后，進(jìn)行了軟體機(jī)器人的制作以及模塊化驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的試驗(yàn)研究?！窘Y(jié)果】仿真結(jié)果表明，雙向彎曲型軟體機(jī)器人比相同長(zhǎng)度的伸縮型軟體機(jī)器人在伸縮變形范圍上更大，其承載能力較伸縮型軟體機(jī)器人也更好。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙向彎曲型軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)仿蠕蟲(chóng)的直線(xiàn)爬行與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。并且兩種構(gòu)型的軟體機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。

關(guān)鍵詞：模塊化；氣動(dòng)軟體機(jī)器人；非線(xiàn)性模型；結(jié)構(gòu)仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 008

0 引言

傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人由數(shù)量不等的剛性結(jié)構(gòu)連接而成，這樣的設(shè)計(jì)可以使得機(jī)器人具有高精確性，但是犧牲了靈活性、適應(yīng)性、與人機(jī)交互時(shí)的安全性[1]?；谶@些問(wèn)題，研究人員將視線(xiàn)轉(zhuǎn)移到自然界中，通過(guò)觀察仿生軟體生物的生物結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)機(jī)制，提出了軟體機(jī)器人這一概念。

仿生軟體機(jī)器人作為一種新型柔軟機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)柔軟、可以連續(xù)變形且功能多樣，比傳統(tǒng)剛性機(jī)器人更加柔軟安全，在人機(jī)交互、易碎品夾持和狹隘空間工作等方面擁有巨大的優(yōu)勢(shì)[2]。但軟體機(jī)器人自身構(gòu)型無(wú)法改變，假如針對(duì)每種環(huán)境設(shè)計(jì)各式的軟體機(jī)器人將產(chǎn)生資源浪費(fèi)，而剛性機(jī)器人領(lǐng)域的模塊化機(jī)器人由1個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)單元組成，其自身變形能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)形式豐富。

模塊化軟體機(jī)器人是一種將軟體機(jī)器人和模塊化機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)的機(jī)器人技術(shù)。它不僅具備軟體機(jī)器人獨(dú)有的高柔韌性與理論上的無(wú)限自由度[3]，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求，并且還繼承了模塊化機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，模塊單元之間可以靈活組合以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。因此，模塊化軟體機(jī)器人在適應(yīng)性、靈活性、可重構(gòu)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)改變模塊數(shù)量及模塊之間的連接狀態(tài)，模塊化軟體機(jī)器人可以形成不同的構(gòu)型，執(zhí)行多種任務(wù)，具備廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 軟體驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 仿蜂巢軟體驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自然界中各種各樣的軟體動(dòng)物為我們研究軟體機(jī)器人提供了大量藍(lán)圖[5-6]，它們通過(guò)一些精巧的結(jié)構(gòu)來(lái)連續(xù)不斷地改變自身結(jié)構(gòu)，從而在優(yōu)勝劣汰的自然選擇中生存下去。軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅僅局限于軟體動(dòng)物，可以借鑒自然界中的各種現(xiàn)象和機(jī)制。圖1所示即為蜂巢結(jié)構(gòu)給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)的啟示。蜂巢結(jié)構(gòu)是人類(lèi)根據(jù)仿生學(xué)的啟發(fā)從蜜蜂的六邊形巢穴中開(kāi)發(fā)的新型材料結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的六邊形結(jié)構(gòu)既保證了輕量化特性，又大大提高了自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[7]。