沈 哲，張 禹，王 寧

為了提高對(duì)于多種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性及人機(jī)交互的安全性， 軟體機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。 這類機(jī)器人由于制作材料多為硅膠， 具有造價(jià)低、 柔順性好等特點(diǎn)， 仿生機(jī)器人是軟體機(jī)器人的重點(diǎn)研究方向[1]。 通過(guò)分析真實(shí)生物的運(yùn)動(dòng)方式， 設(shè)計(jì)制作高度還原實(shí)際動(dòng)物的本體結(jié)構(gòu)外形。 目前仿生軟體機(jī)器人主要有： 爬行類機(jī)器人、 水下類機(jī)器人、 管道類機(jī)器人等。

仿蛇形機(jī)械人是爬行類機(jī)器人的一大研究方向， 世界上第一臺(tái)仿蛇機(jī)器人是由日本東京大學(xué)的Hirose 教授研制帶有被動(dòng)輪的ACM Ⅲ[2]， 這款仿蛇機(jī)器人由剛性模塊正交連接而成， 其在平地上最高行進(jìn)速度可達(dá)40 cm/s。 Gavin miller 研制了每一段驅(qū)動(dòng)器尺寸參數(shù)各不相同， 在仿生度上高度還原自然界中蛇的機(jī)器人S1-S5[3]， 這臺(tái)機(jī)器人只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)且不具備避障功能， 同樣是通過(guò)正交連接的傳統(tǒng)剛性機(jī)器人。 我國(guó)的第一臺(tái)仿蛇機(jī)器人由上海交通大學(xué)的顏國(guó)正等人[4]發(fā)明制作， 這款蛇形機(jī)器人的微型樣機(jī)可以在水下運(yùn)動(dòng)。

目前， 雖然已經(jīng)有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者完成仿蛇機(jī)器人相關(guān)的設(shè)計(jì)制作工作， 但大多還停留在傳統(tǒng)的剛性材料和正交連接方式， 純軟體材料制作的仿蛇機(jī)器人還鮮有人嘗試， 用軟體硅膠材料制作仿蛇機(jī)器人可以大大提高機(jī)器人仿生度， 更加貼近并且還原自然界中蛇的多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡。

本文分析蛇的多種運(yùn)動(dòng)模式， 研究制作仿蛇機(jī)器人的首部、 頸部、 軀干和尾部， 采用氣體驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)蛇的多種運(yùn)動(dòng)模式， 通過(guò)改變通入不同段驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的氣體的大小和頻率使仿蛇機(jī)器人整體呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式。

1 蛇的運(yùn)動(dòng)模式分析

蛇在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)肌肉收縮調(diào)整鱗片角度，以改變軀干與地面接觸部分的面積大小， 從而改變摩擦力并向前行進(jìn)。 對(duì)于生物蛇大體可分為以下幾種運(yùn)動(dòng)方式[5]：

（1） 蜿蜒前行

蛇從頭部開始橫向波動(dòng)， 產(chǎn)生若干個(gè)波依次向尾部傳遞， 其擺動(dòng)的軌跡類似于正弦波的波形圖[6]， 與此同時(shí)， 與地面接觸的彎曲軀干后半部分鱗片翹起， 增大與地面間的摩擦力， 推動(dòng)地面的同時(shí)從地面獲取反推力向先運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 蜿蜒前行圖

（2） 伸縮運(yùn)動(dòng)

當(dāng)環(huán)境狹小受限時(shí)， 蛇會(huì)首先將軀干收縮成S形， 后半部分緊貼地面提供靜摩擦， 前半部分向前伸展， 隨后前半部分收縮并緊貼地面， 后半部分向前移動(dòng)， 如此往復(fù)循環(huán)（見(jiàn)圖2）。

圖2 伸縮運(yùn)動(dòng)圖

（3） 蠕動(dòng)爬行

這種運(yùn)動(dòng)模式是通過(guò)肋骨的外伸和內(nèi)收使得蛇底腹部在膨脹和收縮的切換之間， 與地面間的摩擦力不斷變化， 從而緩慢向前蠕動(dòng)（見(jiàn)圖3）。

圖3 伸縮運(yùn)動(dòng)圖

2 仿蛇機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者以自然界中的蛇為仿生依據(jù)， 提出對(duì)仿蛇軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的普適性方案， 結(jié)構(gòu)上分為頭部、 頸部、 軀干、 尾部和鱗片， 體長(zhǎng)約在1～1.5 m之間， 軀干寬度不得超過(guò)高度的兩倍， 該體型能最大程度減小慣性阻力。

頭部 多數(shù)情況下蛇在行進(jìn)時(shí)， 頭部通常是微微翹起的狀態(tài)， 也就是說(shuō)頭部不參與驅(qū)動(dòng)， 僅用來(lái)收集視覺(jué)信息并識(shí)別， 所以在頭部中間位置嵌入一片鋼板以實(shí)現(xiàn)頭部整體形態(tài)的固定， 并且為仿蛇形機(jī)器人提供一定的剛度， 用硅膠制作可以提高機(jī)器人整體的柔順性和仿生效果。

頸部 頸部的作用是使頭部進(jìn)行各個(gè)方向的轉(zhuǎn)向， 是蛇形機(jī)器人的主要轉(zhuǎn)向部位， 所以要求頸部有更高的自由度， 本次設(shè)計(jì)頸部包括四個(gè)獨(dú)立型腔（ 見(jiàn)圖4） ， 當(dāng)同時(shí)給型腔1 和型腔2、 型腔3 和型腔4、 型腔1 和型腔4、 型腔2和型腔3 通入氣壓時(shí)， 就會(huì)產(chǎn)生向上、向下、 向左、 向右的彎曲效果， 軟體驅(qū)動(dòng)器內(nèi)腔外側(cè)采用褶皺式腔體結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)的好處在于通氣時(shí)產(chǎn)生的徑向膨脹很小， 不會(huì)產(chǎn)生“ 氣球式” 膨脹， 而中性面的加入則會(huì)限制型腔的軸向伸長(zhǎng)， 使型腔通氣時(shí)的彎曲效果更佳。

圖4 頸部型腔圖

軀干 軀干是產(chǎn)生整體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器部分， 為滿足仿蛇機(jī)器人多種運(yùn)動(dòng)模式的需要， 軟體驅(qū)動(dòng)器采用三段式左右獨(dú)立褶皺式型腔結(jié)構(gòu)， 褶皺式型腔能夠最大限度將氣壓轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能， 將擺動(dòng)最大化。 底部采用橫向和豎向兩種方式布置鱗片， 橫向鱗片提供前進(jìn)推力， 豎向鱗片產(chǎn)生各向異性， 當(dāng)內(nèi)部型腔通入氣壓膨脹以后， 另一側(cè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)向中心收縮， 使軀干呈彎曲姿態(tài)， 周期性通氣使蛇身整體產(chǎn)生波動(dòng)形態(tài)向前運(yùn)動(dòng)。

2.2 氣管內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)

目前， 大多數(shù)軟體氣動(dòng)仿生機(jī)器人氣管的布置為： 連接在腔體兩端， 這樣布置的好處在于方便快捷， 制作樣機(jī)過(guò)程中在粘接硅膠時(shí)無(wú)需考慮內(nèi)腔結(jié)構(gòu)是否會(huì)與內(nèi)嵌的氣管產(chǎn)生干涉， 但弊端顯而易見(jiàn)， 仿生還原度差， 外露在機(jī)器人兩端的部分氣管還有可能影響到整體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

本文仿生機(jī)器人氣管的具體連接方式為： 在將三段驅(qū)動(dòng)器首尾粘接之后， 氣管由尾部嵌入， 并用液體狀硅膠將通入氣管的管口處密封黏合， 由中性面隔開對(duì)稱分布， 氣管在內(nèi)腔空間中的螺旋形狀是內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)， 它允許三段驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)中的膨脹、 收縮和彎曲。

2.3 整體模型

通過(guò)對(duì)仿蛇軟體機(jī)器人頭部、 頸部、 軀干、 尾部、 鱗片及內(nèi)部氣管的設(shè)計(jì)和布置， 得到整體模型的設(shè)計(jì)方案（ 見(jiàn)圖5） ， 裝配體由頭部、 頸部轉(zhuǎn)向器、 第一段驅(qū)動(dòng)器、 第二段驅(qū)動(dòng)器、 第三段驅(qū)動(dòng)器、 尾部、 氣管、 傳感器等結(jié)構(gòu)組成， 按照先主后次原則進(jìn)行裝配。

圖5 整機(jī)爆炸視圖

3 仿蛇機(jī)器人樣機(jī)制備

本文通過(guò)FDM 方案設(shè)計(jì)機(jī)器人所用模具， 采用3D 打印機(jī)制備模具， 通過(guò)澆筑工藝完成仿蛇形機(jī)器人各部件的制作， 最后粘接各部件組成機(jī)器人樣機(jī)。

3.1 制作模具

首先， 通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)出仿蛇軟體機(jī)器人的頭部、 頸部、 軀干、 尾部和鱗片的三維模型， 通過(guò)軟件中的組合功能制作出每個(gè)部件相應(yīng)的上模具和下模具， 在設(shè)計(jì)模具的過(guò)程中要注意： （1） 模具應(yīng)保證倒入液態(tài)硅膠和固化劑混合物之后模具的密閉性； （2） 硅膠在靜置冷凝后可以從模具中完整取出且不破壞模具； （3） 模具邊緣不能過(guò)薄， 模具整體應(yīng)具有一定剛度， 確保脫模過(guò)程順利進(jìn)行。

3.2 制作樣機(jī)

制作仿蛇軟體機(jī)器人樣機(jī)共有五個(gè)流程， 分別是混合硅膠與固化劑、 實(shí)物澆筑、 靜置固化、 成形脫模及粘接成形。

（1） 混合硅膠與固化劑

首先配置制作機(jī)器人硅膠原料的混合物， 按照1.5∶100 的比例將固化劑與硅膠進(jìn)行混合調(diào)配， 由于溫度原因該比例在夏季要略高于1.5， 冬季略低于1.5， 在硅膠中倒入固化劑后攪拌5～10 min， 之后放入真空泵中抽氣， 將混合物中的氣泡充分吸出。

（2） 實(shí)物澆筑

首先在下模具中均勻噴灑一層脫模劑， 再將準(zhǔn)備好的硅膠與固化劑混合物倒入下模具， 靜止5 min， 讓混合物內(nèi)的氣泡充分溢出后再扣合上模具。

（3） 靜置固化

將倒入硅膠固化劑混合物的上、 下模具放入恒溫箱中加速固化速率， 靜置5 h 后即可開始脫模。

（4） 成形脫模

起模前先檢查硅膠是否已經(jīng)完全固化， 起膜中注意不能破壞下模具的邊緣， 以便于下一次的澆筑。 取出的硅膠實(shí)物存在由氣泡導(dǎo)致的缺口時(shí)， 可在缺口位置補(bǔ)一些硅膠。

（5） 粘接成形

脫模成形后的多個(gè)部件由首部到尾部依次粘接， 每次粘兩個(gè)相鄰部件， 粘接材料采用硅膠與固化劑的混合物， 注意粘接材料混合物中的固化劑含量應(yīng)該多于機(jī)器人部件中混合物固化劑的含量。 因?yàn)闅夤軐儆趦?nèi)嵌式設(shè)計(jì)， 所以要從首部到尾部依次粘接， 所有氣管從尾部與第三段型腔之間留出的氣孔中通出（見(jiàn)圖6）。

圖6 實(shí)物圖

4 仿蛇機(jī)器人實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)制作完成的仿蛇軟體機(jī)器人進(jìn)行蜿蜒前行、伸縮運(yùn)動(dòng)， 以及直線蠕動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行測(cè)試，為將來(lái)完善優(yōu)化純軟體制作的多運(yùn)動(dòng)模式仿蛇形機(jī)器人提供數(shù)據(jù)和參考。

4.1 蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)測(cè)試

本節(jié)對(duì)制作完成的仿蛇軟體機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)模式的測(cè)試， 測(cè)試內(nèi)容包括機(jī)器人是否能實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)步態(tài)， 以及該運(yùn)動(dòng)模式下的位移和速度。 本文設(shè)計(jì)的仿蛇軟體機(jī)器人分三段驅(qū)動(dòng)， 每段驅(qū)動(dòng)器由中性面隔開成各自獨(dú)立的氣腔， 也就是說(shuō)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器部分共有六個(gè)型腔。 在進(jìn)行蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)， 通過(guò)同時(shí)對(duì)第一段驅(qū)動(dòng)器左腔、 第二段驅(qū)動(dòng)器右腔和第三段驅(qū)動(dòng)器左腔通入相同氣壓， 使機(jī)器人軀干呈S 型， 對(duì)這三個(gè)氣腔放氣， 同時(shí)對(duì)相反氣腔內(nèi)通入同樣壓強(qiáng)， 此時(shí)機(jī)器人軀干呈現(xiàn)出反S型， 不斷重復(fù)上述通氣方式， 使仿蛇軟體機(jī)器人以蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)模式行進(jìn)（見(jiàn)圖7）。

圖7 蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)周期圖

設(shè)定每段驅(qū)動(dòng)器充氣時(shí)間為3 s， 放氣時(shí)間為2 s， 機(jī)器人完成一個(gè)蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)周期需要10 s，記錄下機(jī)器人前進(jìn)一個(gè)周期位移為3.4 cm， 得出仿蛇軟體機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)模式下前進(jìn)速度為3.4 mm/s。

4.2 伸縮運(yùn)動(dòng)測(cè)試

仿蛇軟體機(jī)器人在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)， 是通過(guò)前部分軀干伸展為S 型曲線拉動(dòng)后部分軀干向前伸展， 所以對(duì)機(jī)器人內(nèi)腔通氣順序?yàn)椋?首先第一階段向第一段驅(qū)動(dòng)器右腔和第二段驅(qū)動(dòng)器左腔通氣壓，第二階段對(duì)第一段驅(qū)動(dòng)器放氣， 保持第二段驅(qū)動(dòng)器通氣狀態(tài)， 同時(shí)對(duì)第三段驅(qū)動(dòng)器右腔通氣， 最后第三階段對(duì)第一段驅(qū)動(dòng)器右腔通氣， 對(duì)第二段驅(qū)動(dòng)器放氣， 第三段驅(qū)動(dòng)器保持通氣， 完成一個(gè)完整伸縮運(yùn)動(dòng)周期（見(jiàn)圖8）。

圖8 伸縮運(yùn)動(dòng)周期圖

記錄仿蛇形軟體機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)一個(gè)完整周期所需時(shí)間為12 s， 前進(jìn)位移為3.2 cm， 得出速度為2.6 mm/s。

4.3 直線蠕動(dòng)測(cè)試

仿蛇軟體機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)模式較為簡(jiǎn)單， 原理與蠕蟲的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)類似， 三段驅(qū)動(dòng)器由從首至尾依次通氣， 然后依次放氣即可（見(jiàn)圖9）。

圖9 直線蠕動(dòng)周期圖

仿蛇軟體機(jī)器人直線蠕動(dòng)完成一個(gè)周期為18 s， 前進(jìn)位移2.9 cm， 得出速度為1.61 mm/s。三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 本文制備的機(jī)器人可以完成三種運(yùn)動(dòng)模式且蜿蜒前行模式的速率最高， 與自然界蛇類運(yùn)動(dòng)情況一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析生物蛇三種運(yùn)動(dòng)模式的行進(jìn)機(jī)理， 通過(guò)建模繪出模具并用3D 打印機(jī)打印， 調(diào)配硅膠與固化劑的混合物， 澆筑制作部件， 最后粘接實(shí)物成形。 對(duì)制作好的實(shí)物進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng)模式的測(cè)試實(shí)驗(yàn)， 記錄運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間， 通過(guò)比較得出仿蛇軟體機(jī)器人在蜿蜒前行運(yùn)動(dòng)模式下的速率最高， 符合實(shí)際生物蛇的運(yùn)動(dòng)情況和特點(diǎn)。