岳龍旺， 魏青彪， 程豪， 劉景達， 金洪楊

(河南工業(yè)大學機電工程學院， 鄭州 450001)

近年來，由于軟體機器人相對于傳統(tǒng)的剛體機器人，有安全的人機交互、柔順性強、可穿戴性及環(huán)境適應性強等優(yōu)點，人們對于軟體機器人的關注和研究越來越多[1]。

軟體機器人材質軟的特性，使其有較好的柔順性，但面對某些場景，則需要軟體機器人“硬”起來，因此軟體機器人的變剛度控制是一個重點；軟體機器人發(fā)生變形移動時，需要知道機器人的形狀以及在空間中的狀態(tài)，判斷其是否碰到障礙物、是否處于安全的環(huán)境，針對軟體機器人的大范圍變形檢測也是軟體機器人面臨的難點；剛體機器人運動時，只能實現(xiàn)平移或者旋轉，運動精度較高[2]；而對于軟體機器人，實現(xiàn)精準運動則較難。綜上所述，機器人的變剛度控制、大范圍變形檢測及精準控制是軟體機器人存在的主要問題。

圍繞以上問題，現(xiàn)綜合相關文獻，介紹無環(huán)境阻力的尖端生長型軟體機器人的相關研究，并對未來的發(fā)展方向作出展望。

1 機器人靈感來源與基本原理

為了解決軟體機器人普遍存在的三個問題，學者們嘗試從自然界生物身上獲取靈感，設計出多種仿生機器人[3]。例如，Mao等[4]基于海星運動特性使用形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)[5]設計出的Multigiait軟體機器人，如圖1(a)所示；Calisti等[6]模仿章魚運動特性研制出的仿生章魚觸手，如圖1(b)所示；Katzschmann等[7]借鑒魚的運動特性設計的流體驅動仿生魚，如圖1(c)所示；Villanueva等[8]仿照水母運動特性設計的Robojelly仿生水母軟體機器人，如圖1(d)所示；Onal等[9]模擬蛇的運動特性研制的仿蛇形軟體機器人，如圖1(e)所示；Fan等[10]基于青蛙運動特性設計的仿生青蛙，如圖1(f)所示。以上的研究都是基于動物的運動特性進行的，目前針對植物生長的特性進行的研究較少，本文中所講的尖端生長型軟體機器人，其設計靈感來源于植物根莖的尖端生長。

蔓藤從尖端開始生長，可以將身體延伸至百倍，并根據(jù)周邊環(huán)境控制生長方向，所以尖端生長型機器人也被稱作蔓藤機器人[11]，如圖2所示。由于身體的延長是從尖端開始，已延長的身體在機器人前進過程中相對于環(huán)境無阻力[12]，如圖3所示，這是尖端生長型軟體機器人獨有的優(yōu)點。

尖端生長機器人基本原理如圖4所示，機器人的主體材料被纏繞在基座的卷軸上，通過基座內部的壓力泵產(chǎn)生壓力，使得機器人工作腔內部壓強升高，推動機器人尖端外翻，主干不斷伸長，因此這種結構的機器人也被稱為外翻機器人。當機器人需要收回時，通過電機帶動卷軸反轉，同時減小內部壓強，實現(xiàn)機器人的反向運動。

圖1 仿生軟體機器人Fig.1 Bionic soft robot

圖2 蔓藤生長示意圖[11]Fig.2 Schematic diagram of vine growth[11]

圖3 尖端生長機器人運動示意圖[12]Fig.3 Schematic diagram of the movement of the tip-growth robot[12]

P為機器人主體內壓強圖4 尖端生長機器人原理圖[12]Fig.4 Schematic diagram oftip-growth robot[12]

2 面向變剛度控制的材料選擇

在面對不同的工作場景時，軟體機器人可以通過變剛度控制實現(xiàn)不同的動作。如在服務機器人領域，軟體機器人與人交互時需要較低的剛度，當執(zhí)行某些命令時(如打開閥門、抓取東西等)則需要較高的剛度。實現(xiàn)軟體機器人的變剛度控制，可以大大提高機器人的工作效率。

目前，變剛度控制主要是基于拮抗作用和基于材料相變實現(xiàn)[13]?；谵卓棺饔玫淖儎偠瓤纱笾路譃槿N：機構耦合變剛度[14-15]、顆粒阻塞變剛度[16-17]和層干擾變剛度[18]，基于材料相變的變剛度可分為電磁變液[19-20]和低熔點合金[21]。

為了實現(xiàn)尖端生長型軟體機器人的變剛度控制，大多數(shù)尖端生長型機器人選擇柔軟、有彈性的材料作為主體，這樣可以使機器人具有多個自由度，改變機器人主體腔內壓力時可實現(xiàn)變剛度，且運動靈活、易于收縮。Hawkes等[12]使用低密度聚乙烯薄膜作為機器人主體材料，這種材料重量輕、成本低、密封性好、彈性應變小，但是剛度變化范圍有限，容易被鋒利物體刺破造成漏氣，且易產(chǎn)生疲勞，疲勞極限為翻轉10～50次，適合一次性或者少次性使用，如圖5(a)所示。帶涂層的織物有較強的耐久性，且可承受更高的負載壓力，為機器人提供更高的極限剛度。Coad等[22]使用帶防刮尼龍的熱塑性涂層織物作為機器人材料，提高了機器人的耐久性和剛度，但當發(fā)生應力集中時，會導致熱塑層和織物層分離，產(chǎn)生漏氣，如圖5(b)所示。Putzu等[11]在機器人主體上使用了編織聚酯織物材料，這是一種低密度的碳聚合物，柔韌性好，但延展性較差，如圖5(c)所示。Naclerio等[23]制作了一種低遲滯、可折疊的織物人工肌肉，并將其應用到尖端生長機器人上，可以很好地實現(xiàn)機器人的生長和收回；疲勞試驗表明，該材料可翻轉10萬次，但其變剛度控制調節(jié)性能一般，如圖5(d)所示。

圖5 尖端生長機器人材料Fig.5 Tip-growth robotic materials

Do等[24]基于層干擾變剛度的原理，采用低密度聚乙烯塑料作為機器人主體材料，激光切割而成的聚酯纖維作為阻塞層材料，再將一系列的阻塞層用雙面膠固定在機器人主體上。每個阻塞層有兩個被動閥，通過電磁鐵控制這些閥門的開閉，從而實現(xiàn)機器人的分布式變剛度控制，如圖6(a)所示?；谏⒘ｓw阻塞完成機構的變剛度控制是目前研究最多的一種方法。Yanagida等[25]在尖端生長型機器人主體材料(雙層)中加入散粒體，通過控制主體腔內壓力實現(xiàn)伸縮，通過控制材料腔內的壓力實現(xiàn)變剛度，如圖6(b)所示。

圖6 尖端生長型機器人的變剛度控制Fig.6 Variable stiffness control of tip-growing robot

在尖端生長型軟體機器人變剛度控制中，應用最多的方法是依靠改變機器人主體腔內的壓強，來實現(xiàn)機器人的變剛度控制。這種方法的變剛度范圍較小，最大剛度取決于機器人主體材料不被破壞的極限受力。目前對于基于拮抗作用和材料相變的尖端生長型軟體機器人變剛度控制研究較少，主要由于對軟體機器人實現(xiàn)變剛度控制一直是技術難點，且變剛度結構較為復雜。隨著材料科學的發(fā)展，不斷有新型材料出現(xiàn)，對尖端生長型機器人應用可變剛度的材料，將會是解決軟體機器人變剛度控制的有效方法。

3 面向大范圍變形檢測的轉向結構設計

大范圍變形檢測[26]是軟體機器人在移動過程中必須考慮的重要問題，它關系到機器人主體的定位[27]及閉環(huán)控制[28]。目前的變形檢測方法主要有：基于視覺算法多相機重建機器人形狀[29]、超聲波檢測[30]、布拉格光柵檢測[31]等?；谝曈X算法的變形檢測方法要布置相機，且算法復雜、計算時間長；超聲波檢測存在信噪比的問題；布拉格光柵價格昂貴，難以在大范圍內使用。

針對解決軟體機器人大范圍變形檢測的問題，尖端生長機器人的轉向控制主要是用到類似差速的原理，保持機器人控制室內一邊靜止(停止生長)，另一邊充氣加壓產(chǎn)生外翻，實現(xiàn)機器人的二維轉向。同理，在三維空間內，同時控制機器人三個控制室內的壓強，便可以實現(xiàn)三維空間的轉向?；谶@種原理的轉向結構在進行變形檢測時，主要是通過記錄軟體機器人在移動時的速度、移動方向和轉向角度，然后累積計算，求出軟體機器人的變形形狀及空間狀態(tài)。

Greer等[32-33]制作了三個串聯(lián)人工氣動肌肉，將其圍繞機器人主體外側軸向排列，通過控制三個串聯(lián)人工氣動肌肉的壓強，改變機器人一側的長度，完成機器人的轉向，如圖7(a)所示。串聯(lián)人工氣動肌肉由聚乙烯薄壁管和O形圈組成，O形圈以一定間隔套在聚乙烯薄壁管上，通過放氣和充氣引起徑向膨脹，實現(xiàn)氣動肌肉的長度變化，如圖7(b)所示。這種轉向方式在機器人伸長過長時，在機器人的尖端會有較明顯的時間延遲，且串聯(lián)人工氣動肌肉在反復加壓、減壓操作后易產(chǎn)生疲勞。Hawkes等[12]設計了一種機械結構式的轉向方案。沿機器人主體控制室軸向固定一系列閂鎖，閂鎖由3D打印制作而成，機器人共有4種生長狀態(tài)。當控制室減壓，來自主室的壓力迫使機器人主體側面的閂鎖處于鎖定狀態(tài)(狀態(tài)1)；同時，機器人尖端的閂鎖也處于鎖定狀態(tài)(狀態(tài)2)，此時機器人可以直向生長和收回；當一側的控制室加壓，機器人主體側面的閂鎖由于自身獨特的結構仍處于鎖定狀態(tài)(狀態(tài)3)；同時，尖端的閂鎖由于受到控制室內的壓力被迫打開，褶皺被釋放，實現(xiàn)機器人的轉向(狀態(tài)4)，如圖8(a)所示。Blumenschein等[34-35]將聚四氟乙烯材料做成管狀物，當作一個制動器，按照一定間距固定到尖端生長機器人的主體表面，然后將一根線穿過制動器，當線和管子完全放松時，機器人直向生長；當拉近線時，制動器聚攏到一起，從而改變機器人主體的形狀，變成螺旋形，如圖8(b)所示。由于這種轉向方式只能產(chǎn)生螺旋形的旋轉，形狀單一，容易實現(xiàn)變形檢測，但應用場景比較受限。

T為拉力；P為機器人主體內壓強；P1為控制室內壓強圖7 串聯(lián)人工氣動肌肉轉向控制Fig.7 Series pneumatic muscle steering control

圖8 尖端生長型機器人的幾種轉向結構Fig.8 Several steering structures of tip-growing robot

Wang等[36]設計了一種可以形狀鎖定的轉向結構。在機器人主體的兩側設置兩個控制腔室，腔室內分別布置兩個相同結構的尖端生長機器人，通過改變控制腔室內兩個機器人的相對長度和壓強，使機器人完成轉向和變剛度控制，如圖8(c)所示。這種轉向結構的尖端生長機器人在受限環(huán)境下，相比前幾種轉向結構的機器人，可以達到更大的工作空間。周德開等[37]在機器人主體兩側表面連續(xù)均勻分布多個褶皺結構，如圖8(d)所示；每一個褶皺結構的內側設置圓形鐵皮，另一側設置電磁鐵，無需轉向時，電磁鐵通電將鐵皮吸合；需要轉向時，將尖端處的電磁鐵斷電，釋放主體材料的褶皺部分，由于機器人主體兩側長度不一致而實現(xiàn)轉向，如圖8(e)所示。

以上轉向結構的原理都是機器人主動控制轉向的，在某些場景不需要機器人主動改變形狀，可以對機器人的形狀進行預編程，以減少結構復雜度。Slade等[38]通過加熱熱塑性材料，在所需形狀的模具上拉伸，使材料熱定型。Satake等[39]在機器人主體材料上指定位置粘貼膠帶，使聚乙烯薄膜產(chǎn)生褶皺，從而實現(xiàn)特定形狀的伸長。

上述轉向結構的變形檢測都是通過計算已記錄的速度、移動方向和轉向角度來實現(xiàn)，隨著機器人的不斷伸長，這種方法的累積誤差會越來越大，位置精度逐漸降低。Watson等[40]設計了一種基于永磁體的變形檢測方法，在尖端生長型機器人尖端安裝一個環(huán)形磁鐵，再將機器人放置于磁傳感器陣列中移動，可以有效記錄機器人的變形情況。目前對于軟體機器人的變形檢測研究還比較少，尖端生長型機器人在這方面的研究更少，但變形檢測仍是機器人控制中的一個重要問題。

4 面向精準控制的建模

相比傳統(tǒng)剛性機器人可以用6個自由度表示，由于軟體機器人理論上具有無限多個自由度，這給軟體機器人的建模和精準控制帶來了很大難度。剛性機器人運動學和動力學建模及系統(tǒng)幾何關系描述一般采用D-H(由Danevit、Hartenberg提出)參數(shù)法[41]，對于軟體機器人，常用的是在D-H參數(shù)法基礎上提出的分段常曲率理論模型[42-43]。此外，軟體機器人的運動類似于超冗余度機器人[44]，也可以使用超冗余度建模方法[45-46]近似研究軟體機器人。

為了解決軟體機器人的精準控制問題，對尖端生長型機器人進行建模研究，Blumenschein等[47]基于尖端生長型機器人低慣性的特性，建立了靜態(tài)力平衡模型。該模型將力分為驅動力和損失力：驅動力指施加在機器人尖端外翻橫截面的壓力，損失力指機器人從基座生長到尖端損失的力和尖端外翻過程中損失的力。Naclerio等[48]考慮到機器人受外力作用，驅動力無法全部作用到介質中，引出了比例系數(shù)和抵抗力。Haggerty等[49]在Blumenschein等[47]的基礎上，針對機器人與環(huán)境交互的過程，分別對無約束環(huán)境和有約束環(huán)境建模，提出了一種自屈服的模型。Godaba等[50]利用Timoshenko梁理論考慮了旋轉和剪切效應，研究了尖端生長型機器人的各種失效方式，以及在軸向和橫向載荷下的有效載荷和極限載荷。Del等[51-52]通過在機器人尖端布置一個類似3D打印機的裝置，通過控制打印裝置在尖端區(qū)域增加材料進行導航；并計算出一系列用齊次坐標表示的旋轉-平移矩陣來模擬機器人的生長，建立了尖端生長機器人的動力學模型。

對于剛體機器人，與環(huán)境接觸通常是較危險的；但對于軟體機器人，由于其低慣性和較高的柔順性，與環(huán)境接觸是相對安全的，且有助于機器人實現(xiàn)更精準的控制。利用這個優(yōu)點，Greer等[53]建立了一個機器人—障礙交互模型，并開發(fā)了一種考慮障礙物碰撞的生長機器人路徑確定算法。之后，Greer等[54]又將機器人通過與障礙物接觸來實現(xiàn)高魯棒性導航，提出了一種集總參數(shù)的運動學模型。該模型將機器人主體標記成一系列樞軸點，每當機器人轉向或者接觸到障礙物時，增加一個樞軸點，通過記錄樞軸點位置及轉彎角度，建立機器人的微分運動學模型，如圖9所示。在機器人伸長過程中，如果與障礙物正面接觸，尖端生長型機器人可能會出現(xiàn)卡死情況。針對此問題，Ozkan-Aydin等[55]證明了機器人尖端的小幅振蕩可以改善機器人的穿越障礙物的能力，使其能夠在沒有任何反饋控制的情況下穿越所搭建的異構環(huán)境。Selvaggio等[56]有效地利用障礙交互來擴大機器人尖端可達工作空間的集合，并設計了一種新的基于障礙物交互的路徑規(guī)劃算法，該算法以最小的姿態(tài)誤差找到使機器人到達期望位置的障礙物序列。El-Hussieny等[57]基于歐拉-拉格朗日方程，建立了尖端生長機器人的高效動力學模型，并設計了基于重力補償模型的PD閉環(huán)控制器，無需實體機器人便可以使用MATLAB軟件進行仿真驗證。

O1、O2為障礙物點；C1、C2、C3、C4為樞紐點；t1～t4為時間序列圖9 集總參數(shù)運動學建模[54]Fig.9 Lumped parameter kinematic modeling[54]

以上的建模方法針對不同結構的尖端生長型機器人，建立對應的模型，有效提高了機器人的控制精度。由于軟體機器人的運動具有非線性的特點，針對不同結構、不同環(huán)境下的尖端生長型機器人，建模方法往往大不相同，如何針對特定結構的末端生長型機器人建立數(shù)學模型，以實現(xiàn)精準的運動控制仍是以后的研究重點。

5 應用場景

5.1 救災探險

尖端生長型軟體機器人獨有的無環(huán)境阻力及可大幅生長的特性，十分適合在救災探險領域應用。在廢墟中救災，尖端生長型軟體機器人內部的天然通道，可以用來給幸存者傳送水和食物；在機器人末端安裝攝像頭，可以有效獲取幸存者的聲音和個體圖像，判斷幸存者當前的身體狀態(tài)，從而正確施展相應援救措施，極大地提高幸存者生還率。當機器人被重物壓到時，尖端生長型軟體機器人若能實時改變剛度，并實現(xiàn)實時的變形檢測，則能有效降低機器人受損的概率和強度。

Tsukagoshi等[58]設計一款名叫Grow-hose-Ⅰ的救災機器人，該款機器人使用兩根軟皮管作為生長主體，并在機器人末端安裝攝像機和帶傳感裝置的頭部單元，沿著主體設置柔性導軌，用以固定頭部單元，如圖10(a)所示。實驗證明，機器人可以在彎曲狹窄的通道內順利通過，如圖10(b)所示。針對機器人內部電線的滑動速度是機器人生長速度兩倍造成電線累積的問題，如圖10(c)所示，Mishima等[59]設計了一種新型的頭部單元和搜救機器人DETube。在機器人的頭部單元增加電機和卷軸，使機器人在生長過程中，將多余的電線纏繞在卷軸上，如圖10(d)所示。Coad等[22,60]設計了一種新的電線儲存方式，攝像頭的電線不是在機器人內部通道內滑動，而是在機器人主體外表面滑動，隨著機器人生長，不斷變長的電線會被拉鏈鎖住，從而避免電線的纏繞問題，并在機器人比賽和考古遺址探索中應用，如圖11所示。Luong等[61]將尖端生長機器人應用到海底珊瑚礁的探索中，依靠尖端生長機器人的柔順性可以實現(xiàn)無損地穿越自然縫隙；在機器人尖端增加磁性吸附機構，再將攝像頭安裝在磁吸附結構上，實現(xiàn)海下的圖像反饋，如圖12所示。

P為壓強；u為速度圖10 救災機器人[37]Fig.10 Disaster relief robot[37]

圖11 機器人比賽和考古遺址應用[22]Fig.11 Robot competition and archaeological site application[22]

5.2 可重置結構

尖端生長型軟體機器人的主體表面可布置物體，隨著機器人的外翻生長，實現(xiàn)物體結構的重新配置。Blumenschein等[34]在尖端生長機器人的主體外表面布置一系列的銅條，隨著機器人生長，在尖端處的銅條導體會與腔內的銅條斷開，形成單極天線，改變天線的長度可以改變諧振頻率。通過調整尖端生長型機器人的伸縮，即可實現(xiàn)對單機天線工作頻率的調節(jié)，如圖13(a)所示。螺旋天線可以收發(fā)外部空間中旋轉的偏振電磁信號，廣泛應用在全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、衛(wèi)星、雷達等無線通信系統(tǒng)，Gan等[62]通過在尖端生長機器人主體的外表面布置天線和肌腱，實現(xiàn)螺旋天線的制作，如圖13(b)所示。軟體機器人在可穿戴設備上也具有很大的潛力，Agharese等[63]設計了一款名叫HapWRAP的可穿戴設備，該設備可環(huán)繞手臂生長，并為用戶提供方向和力反饋的組合，如圖13(c)所示。

圖12 海下尖端生長機器人[61]Fig.12 Undersea tip-growth robot[61]

圖13 可重置結構應用Fig.13 Resettable structure application

5.3 醫(yī)療

在醫(yī)療領域，由于軟體機器人主要由柔性材料制成，柔順性好、剛度低，相比剛性機器人更有優(yōu)勢，安全性也大大提高。目前，軟體機器人在醫(yī)療領域的研究主要有微創(chuàng)手術[64-68]、心臟外科[69]、康復治療[70]及人工器官[71]等方面。

為了防止長期臥床不起的病人出現(xiàn)壓瘡，Nakamura等[72]利用尖端生長型機器人相對環(huán)境無摩擦的特性，設計了一種幫助病人實現(xiàn)床上翻身的輔助裝置，這個裝置具有較高的剛度，如圖14(a)所示。對于涉及軟組織的手術，要求手術醫(yī)生在使用器械時，使導致組織損失或出血的剪切力降到最低。尖端生長型機器人可以在狹窄空間無阻力運動，可以有效降低剪切力。Slade等[38]根據(jù)此原理設計出一種用于受限環(huán)境下外科手術的低剪切力軟導管，且可實現(xiàn)對該軟導管的精準控制，如圖14(b)所示。在結腸鏡檢查過程中，內窺鏡通過彎曲的大腸時，不僅會造成患者疼痛，還會對大腸造成一定損傷[73]。Yanagida等[25]將可變剛度的尖端生長型軟體機器人吹進死豬的大腸內，抽真空之后實現(xiàn)較高的剛度，再插入內窺鏡進行檢查，有效降低了內窺鏡直接接觸腸體的力，如圖14(c)所示。

圖14 尖端生長型機器人在醫(yī)療領域的幾種應用Fig.14 Several applications of tip-growth robots in the medical field

5.4 其他

尖端生長型機器人還可以用作末端執(zhí)行器，對物體進行抓取，由于材料是柔軟的，對被抓取物體的損害極低。Stroppa等[74]基于手臂手勢來遙控尖端生長機器人抓取物體，由于機器人的低慣性和柔順性，可以實現(xiàn)安全的人機交互，如圖15(a)所示。Jeong等[75]使用他們設計的新型尖端生長型機器人進行尖端極限受力測試，測得在機器人收縮時最大可以攜帶2.5 kg的重物，如圖15(b)所示。Sadeghi等[76]根據(jù)植物根部尖端生長的原理，設計了一種土壤滲透機器人機構，如圖15(c)所示。利用末端生長型機器人與環(huán)境交互無摩擦的特性，Naclerio等[48,77]結合顆粒流態(tài)化的原理，通過在機器人內部腔室加入空氣流，實現(xiàn)在干燥的沙土環(huán)境中進行挖掘，如圖15(d)所示。這種設備未來可以應用到泥石流或者淺層地下的搜索和救援中，尤其在低重力環(huán)境中，這種挖土機器人更具優(yōu)勢，未來可以應用到月球的土壤采樣，甚至是更遠的天體。

圖15 尖端生長機器人的幾種應用Fig.15 Several applications of tip-growth robots

6 總結與展望

首先提到了軟體機器人目前存在的三大主要問題，針對如何解決這些問題，引出了從植物身上產(chǎn)生靈感的尖端生長型軟體機器人，緊接著介紹了尖端生長型軟體機器人的基本工作原理和結構。然后圍繞提出的三個主要問題，從機器人材料選取、轉向結構設計、建模及應用場景四大方面對尖端生長型軟體機器人進行了詳細說明。

尖端生長型軟體機器人制造成本低、可擴展性強，且具有無環(huán)境阻力的獨特優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其在許多應用領域有很大的潛力，如醫(yī)療、救災和服務機器人等。目前，對于尖端生長型軟體機器人的研究，大多停留在理論和實驗階段，暫無落地的商用產(chǎn)品出現(xiàn)，還有很長的路要走。新型材料大量出現(xiàn)，在未來可以嘗試使用適合特定工作場景的新型材料，發(fā)揮尖端生長型軟體機器人的最大性能。隨著人工智能(artificial intelligence，AI)的發(fā)展，應用AI技術，實現(xiàn)機器人的自主操作，機器人智能化也是未來發(fā)展的一個重要方向。