软体机器人技术的一些研究新进展

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　　摘 要：生物体凭借着软体结构的可变性，能高效的完成目标。这样的软结构启发机器工程師设计新型的软机器。软机器是重要的技术发展方向之一，在众多领域具有广阔的应用前景，如柔性智能飞行器、关节健康恢复、潮汐发电装置等。本文概要介绍了软体机器人技术的一些研究进展。
　　关键词：软机器;软体机器人;声膜系统共振;建模框架;柔性机械手抓力建模;多模应变和曲率传感器;粒子增强水凝胶
　　中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0218-02
　　0 引言[1，2]
　　动物利用软结构的变形性，在复杂的自然环境中高效地移动。这些软结构本质上是兼容的，并可以承受巨大的压力，是机器结构中难以找到的。这些能力激发了机器人工程师将软技术融入到他们的设计中。软机器人技术的一个目标是为机器人提供新的、受生物启发的功能，使机器人能够在不可预知的环境中进行形态上适应性的相互作用。从力学角度，生物启发软机器人有三个关键要素，即材料选择、驱动和设计。软材料是生物启发机器人安全相互作用和整体驱动的必要条件。软体机器人中材料的固有特性允许“体现智能”，从而有可能以刚性机器人无法实现的方式降低机械和算法的复杂性。最后，软体机器人可以与组织工程和合成生物学相结合，创建具有独特传感、动态响应和移动性的生物混合系统。生物启发软机器人也有能力加快混合机器人的进化，可以安全地与人类互动。
　　1 基于声膜系统共振的声执行器在软机器人驱动中的应用[3]
　　LangquanShui等人研究了声场与软膜的耦合，并将其应用于软机器人的驱动中。首先，他们对声膜耦合系统的固有频率和模态进行了理论和数值计算。然后利用格林函数法得到了声膜耦合场的稳态解。通过在声学系统谐振状态下驱动驻波或行波，他们提出了两种用于软机器人的声学驱动方法。通过理论分析和数值模拟，表明采用两种驱动方法的软机器人由于声膜耦合系统的谐振工作状态，与其他类型的软机器人相比，如游泳、滑行或四足步态机器人，具有较好的动力学和能量性能。LangquanShui等人提出的声学驱动机制有望应用于许多类需要波状变形的移动软机器人。此外，由于软体机器人体内的声波传播，使用本地声源（如内置扬声器）可以很容易地实现某些类型的软体机器人所需的波形变形，这可能会大大简化复杂的驱动或控制系统。
　　2 软机器人系统自动化设计和建模框架[4]
　　预计混合机器人的引入将对工业组装产生积极影响。在这方面，新一代的机器人可以在碰撞中变形和屈服，从而危害较小，这似乎是对传统刚性链接机器人的一种很有希望的补充。最近，所谓的软机器人受到了极大的关注，开始展现出它们在工业自动化方面的潜力。为了验证该方法的有效性，需要对软执行器进行设计、建模和测试。GundulaRunge等提出了一种将有限元分析、连续机器人建模和机器学习有效地结合起来的软机器人设计和建模工具的框架。
　　3 变刚度柔性机械手抓取力的建模[5]
　　HaibinYin等人提出了一种变刚度软机器人抓手的抓力模型。软机器人抓手由形状记忆合金（SMAs）制成，具有收缩和变刚度的特性。然而，其主干的响应特性在受重力、抓力和驱动扭矩等复杂力时，不符合恒曲模型。在这种情况下，Cosserat理论被用来实现对受到复杂力的软机器人抓手的抓取力的实时计算。最后，我们对软手指和抓手的抓握力进行了一系列测试。实验结果表明，当SMA-2线的杨氏模量从25 GPa增加到48 GPa时，软机器人抓手的抓取力增加了48.7%。
　　4 一种超弹性材料的软机器人表面的设计与建模[6]
　　虽然大多数现有的软机器人都有触角状的形态，但Lisha Chen等人将软机器人的形态从曲线延伸到表面。他们利用超弹性硅胶材料制作机器人表面，并通过沿边缘嵌入的两个气动软弯曲执行器，可以主动控制其形态和变形。他们分别利用虚拟工作原理和弹性板理论建立了嵌入式执行器和表面结构的准稳态模型，并将输入压力和外力与柔软表面变形联系起来。完整的模型是在机器人原型的实验中验证的，在这种原型中，在许多驱动级别上，误差在表面侧长的5%以内。
　　5 适用于软机器人应用的多模应变和曲率传感器[7]
　　Edward L.White等研究人员介绍了基于弹性体的传感器的制造和测试，这些传感器能够测量单轴应变和曲率。这些传感器是由Sylgard 184制成的，这是一种透明的有机硅弹性体。Edward L.White等直接在有机硅弹性体基板中创建微通道，使用激光来烧蚀材料。传感元件是镓和铟的合金，在室温下是液体，包含在激光产生的微通道中。当基板变形时，微通道内部变形，导致电阻发生可测量的变化。通过在传感器的对立面上制造两个匹配的电阻应变传感元件，他们分别通过观察电阻的共同模式和微分模式的变化，可以清楚地测量单轴应变和曲率。模式之间的耦合很少，说明了不同传感器设计的效用。Edward L.White等人从传感器对应变和曲率的响应、噪声以及随着时间的推移的稳定性来描述传感器的特征。他们相信这种类型的传感器在软感官皮肤中有应用，可以观察到软机器人系统的姿势。
　　6 粒子增强和功能化的水凝胶用于软体机器人的制作[8]
　　SpineMan是Tobias Preller等人提出的一种软体机器人的原型，它由类似于人类脊柱的硬和软段交替构成。实现这样的软段可以超越传统机器人的刚性，并确保更安全的工作空间，使人和机器可以在安全限制较低的情况下并排工作。他们使用水凝胶作为粘弹性材料，由聚乙烯醇和硼砂组成，通过包埋各种颗粒尺寸的二氧化硅颗粒以及不同质量分数来定制水凝胶的机械性能。与纯水凝胶相比，随着质量分数的增加以及颗粒尺寸的增大，复合材料的储能模量提高了一倍以上。此外，超顺磁性Fe3O4纳米粒子的加入还能产生特定的功能，在原则上可用于机器人运动的感知和故障检测，通过确定纳米粒子的质量含量，精确地调整软段的饱和磁化强度。为了保证复合材料的长时间形状稳定性和防止大气对复合材料的影响，采用了具有“邵氏硬度”（Shore Hardness）的硅橡胶皮。通过振动测试、冷扫描电镜（cryo-SEM）、弯曲试验和SQUID测试，对复合材料和软段进行了表征，从而深入了解了SpineMan处于被动状态和运动状态的性能。 　　7 结语
　　软体机器人是未来研究的一个重要方向，具有廣阔的应用前景。本文对软体机器人技术的一些研究新进展进行了概述。近年来，在适用于软机器人应用的多模应变和曲率传感器、基于声膜系统共振的声执行器在软机器人驱动中的应用、软机器人系统自动化设计和建模框架、变刚度软机器人抓手抓握力的建模、超弹性材料的软机器人表面的设计与建模、粒子增强和功能化的水凝胶用于软体机器人的制作等领域都取得了新的研究成果。
　　参考文献
　　[1] 曲本宁，杨邦成.工程力学（3版）[Z].科学出版社，2018.
　　[2] StephenCoyle，CarmelMajidi，PhilipLeDuc，&K.JimmyHsia：Bio-inspired soft robotics： Material selection，actuation， and design[J]. Extreme Mechanics Letters，Volume 22， July 2018，Pages 51-59.
　　[3] LangquanShui，LiangliangZhu，YilunLiu，&XiChen： Acoustic actuators based on the resonance of an acoustic-film system applied to the actuation of soft robots[J]. Journal of Sound and Vibration，Volume 432，13 October 2018，Pages 310-326.
　　[4] GundulaRunge，&AnnikaRaatz：A framework for the automated design and modelling of soft robotic systems[J].CIRP Annals，Volume 66，Issue 1，2017，Pages 9-12.
　　[5] HaibinYin，ChengKong，JunfengLi，&GuilinYang： Modeling of grasping force for a soft robotic gripper with variable stiffness[J].Mechanism and Machine Theory，Volume 128，October 2018，Pages 254-274.
　　[6] Lisha Chen，Chenghao Yang，Hua Wang，David T.Branson，Jian S.Dai，&Rongjie Kang： Design and modeling of a soft robotic surface with hyperelastic material[J]. Mechanism and Machine Theory，Volume 130，December 2018，Pages 109-122.
　　[7] Edward L.White，Jennifer C.Case，&Rebecca K.Kramer：Multi-mode strain and curvature sensors for soft robotic applications[J].Sensors and Actuators A： Physical，Volume 253，1 January 2017，Pages 188-197.
　　[8] Tobias Preller，Gundula Runge，Sabrina Zellmer，Dirk Menzel，Saeid Azimi Saein，Jan Peters，Annika Raatz，Brigitte Tiersch，Joachim Koetz，&Georg Garnweitner： Particle-reinforced and functionalized hydrogels for SpineMan，a soft robotics application[J].Journal of Materials Science，March 2019，Volume 54， Issue 5，pp4444-4456.
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