李雅菲 汪霞 姚啟桂

摘 要：目前軟體機器人成為機器人研究的重點，氣動軟體機器人相較于常見的軟體機器人更柔軟、低耗能、無污染且環(huán)境適應(yīng)性強、靈活度高、易于控制，是軟體機器人在未來的重要發(fā)展方向。氣動軟體機器人在生物醫(yī)學、搜救、探測、教育等領(lǐng)域越來越重要，并逐漸向人們的生活延伸，在服務(wù)、娛樂等方面也可見其身影。

關(guān)鍵詞：軟體機器人;氣動;柔軟;應(yīng)用領(lǐng)域

近年來，軟體機器人一直是學術(shù)界公認為的新一代機器人最具有潛力的研究方向，將對機器人領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。氣動式軟體機器人由彈性材料構(gòu)成，它可利用體內(nèi)氣壓變化產(chǎn)生氣壓差來實現(xiàn)自身的形態(tài)轉(zhuǎn)變和連續(xù)運動，通過變形可以兼容障礙物，適應(yīng)極端環(huán)境。氣動式軟體機器人具有內(nèi)在的高柔性、自適應(yīng)性和自然安全的可交互性，剛度可調(diào)，可在大范圍內(nèi)改變自身形狀和尺寸。不需要鐵磁或電子元件驅(qū)動，無活動部件，具有良好的柔韌性。在強輻射、強電磁、粉塵以及外力碾壓重擊等條件下?lián)碛休^好的可靠性。這使得氣動軟體機器人在軍事、醫(yī)療、救援、教育、探索等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿1]。

1研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，材料學、控制等學科的不斷突破，以及人們對醫(yī)療衛(wèi)生、救援、野外勘測等特殊應(yīng)用需求的日益增長，氣動軟體機器人早已經(jīng)不僅局限于實驗室，飛速進入了多種應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1工業(yè)制造和醫(yī)療康復領(lǐng)域

軟體機器人特有的柔韌性讓人們看到了它在很多領(lǐng)域的發(fā)展性。J.Mckiben利用氣動人工肌肉[2]幫助小兒麻痹癥病人鍛煉手腕，主要由橡膠管和纖維編織網(wǎng)組成，通過向橡膠管管腔充氣，使膠管徑向膨脹，從而帶動驅(qū)動器沿軸向收縮，帶動人工肌肉。北京軟體機器人公司研發(fā)出了一種氣動軟體機械夾具，重復定位精度為0.1mm，可實現(xiàn)對物品精準無誤地抓放。另外還已研發(fā)出一款雙向運動的康復手外骨骼機器人[3]，每根手指有一個二自由度的直線型氣動肌肉，可抓取3kg物體。可用在自動化生產(chǎn)線甚至水下作業(yè)，代替潛水員做一些危險工作。

1.2探測、搜救領(lǐng)域

哈佛大學設(shè)計了一款四足運動機器人[4]，利用氣壓驅(qū)動材料和Pneu-Net驅(qū)動器產(chǎn)生大范圍柔性變形，具有很高的強度和負載能力，能在濕雪地，泥濘路面、火焰、高壓等環(huán)境下運動。斯坦福大學研發(fā)了一款軟體機器人Vine-link robot[5]，全身被薄的軟塑料包裹成管柱體，部分部件向內(nèi)折疊。驅(qū)動時將內(nèi)部褶皺展開，使軀體延伸并按照設(shè)定方向移動。它可以舉起100 kg的木箱，以各種蜿蜒曲折的姿態(tài)通過不同的障礙物，并可以抵御火焰的高溫。

德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員研發(fā)了一種仿生水母軟體機器人。該機器人的主要運動機制是通過向機器人下方噴射流體產(chǎn)生反作用力，推動其在水中運動，哈佛大學在此基礎(chǔ)上進行改進，使用新型柔性氣動復合執(zhí)行器架構(gòu)，可獲得較大的瞬時推力，實現(xiàn)垂直方向上的快速游動。該氣動軟體機器人實現(xiàn)具備一定載荷的快速垂直游動，未來或可用于水下快速救援、資源勘探、水下地形勘測等方面。

1.3臨床醫(yī)學領(lǐng)域

哈佛大學將充氣式軟體機器人應(yīng)用到了醫(yī)學領(lǐng)域，將軟體機器人制成套狀結(jié)構(gòu)，放置在心臟周圍，持續(xù)為衰竭的心臟提供動力，該機器人不會與血液接觸，降低了血管阻塞的風險，未來或可應(yīng)用于臨床維持人體心臟的跳動。人們還希望能直接將藥物送至人體內(nèi)傷口或病原處，目前已在研究可用于人體腸道內(nèi)窺鏡的氣動軟體機器人，減少電子內(nèi)窺鏡剛性機械零件對人體腸道造成的傷害，并可對復雜腸道進行全面檢測。

2未來發(fā)展

氣動軟體機器人在強輻射、電磁場、多灰塵等惡劣環(huán)境下具有獨特優(yōu)勢，柔性充氣結(jié)構(gòu)被廣泛用于人們探索世界以及社會生活的進程中。航空航天應(yīng)用的大型充氣展開結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備涉及的領(lǐng)域較多，主要包括化學材料、包裝展開技術(shù)、表面工程、工程測量、動力學以及氣動建模仿真等。氣動軟體機器人還可以與工人一起工作，在裝配行業(yè)可以高效配合人們完成分揀物體、裝配，在服務(wù)行業(yè)可以安全可靠地端茶遞水，準備食物等。在很多行業(yè)可以代替人類為企業(yè)省下勞動力。甚至在課堂上，氣動軟體機器人系統(tǒng)的模塊性和軟性使得它成為一個潛在的有價值的教育工具。機器人可以充當形狀顯示，動態(tài)改變形狀，作為一種高刷新率的3D打印機。充氣式軟體機器人除已應(yīng)用的領(lǐng)域外，也將為其他領(lǐng)域提供思路，能夠為航天器大型化輕量化的發(fā)展目標、高效能減速器的設(shè)計、太空旅館概念的實現(xiàn)提供可行的技術(shù)途徑。同時， 充氣結(jié)構(gòu)也用在飛艇、無人機等領(lǐng)域， 可在信息獲取方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。未來將是一個“可折疊的輕量化”時代。

參考文獻：

[1]管清華，孫健，劉彥菊等.氣動軟體機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國科學：技術(shù)科學，2020，50（07）：897-934.

[2]SALISBURY J K，ROTH B.Kinematic and force analysis of articulated mechanical hands [J].Journal of Mechanical Design，1983，105（1）：287-294.

[3]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機器人驅(qū)動、建模與應(yīng)用研究綜述[J]南京郵電大學學報（自然科學版）2019，39（3）：64-75.

[4]TOLLEY M T，SHEPHERD R F，MOSADEGH B，et al.A resilient，untetherrd soft robot[J].Soft Robotics，2014，1（3）：213-223.

[5]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機器人驅(qū)動、建模與應(yīng)用研究綜述[J]南京郵電大學學報（自然科學版）2019，39（3）：64-75.

作者簡介：

李雅菲，女，生于2000年4月，漢族，山西長治人，江蘇大學本科在讀，測控技術(shù)與儀器專業(yè)

汪霞，生于1999年4月，漢族，貴州遵義人，江蘇大學本科在讀，測控技術(shù)與儀器專業(yè)

姚啟桂，生于1998年12月，漢族，貴州遵義人，海南熱帶海洋學院本科在讀，環(huán)境設(shè)計專業(yè)

基金項目：江蘇大學第18批大學生科研課題立項資助項目

項目編號：18A178