郭倩楠

（工商銀行北京分行，北京，100031）

0 引言

21世紀(jì)以來，機(jī)器人學(xué)科及其延伸出的各種產(chǎn)業(yè)得到了世界各國(guó)政府的大力重視與支持。中國(guó)針對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相繼出臺(tái)了各種政策，國(guó)家自然科學(xué)基金、科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目規(guī)劃中也有許多機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的項(xiàng)目[1]。美國(guó)相繼啟動(dòng)了“國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃”及“國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃2.0”，這些計(jì)劃受到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)、美國(guó)能源部（DOE）和美國(guó)國(guó)防部（DOD）等多個(gè)政府機(jī)構(gòu)的支持。同樣地，歐盟以及其他一些國(guó)家也都在緊鑼密鼓地布局機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)日益成為各國(guó)科技、軍事和綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的重要一環(huán)。

機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景眾多，因此對(duì)于機(jī)器人的分類方式也有許多。從機(jī)器人的制造材料選擇的角度來看，人們平日里見到的機(jī)器人多數(shù)為剛性機(jī)器人，是由剛性構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連接的結(jié)構(gòu)，而本文要重點(diǎn)介紹的軟體機(jī)器人則多數(shù)選用柔性材料，如硅膠、塑料、織物等。剛性材料具有運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)、承載載荷大等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用其制造的機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性較差，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，體型較大。相反地，軟體機(jī)器人則擁有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，如能通過各種狹長(zhǎng)的縫隙等，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單[2]。因此在一些特殊領(lǐng)域，如管道探測(cè)、果實(shí)摘取等，軟體機(jī)器人相較于剛性機(jī)器人有很大優(yōu)勢(shì)，也能很好地滿足作業(yè)的要求。

機(jī)器人是一門新興學(xué)科，從機(jī)器人之父約瑟夫·恩格爾伯格在1959年創(chuàng)造出第一個(gè)自動(dòng)搬運(yùn)手臂到現(xiàn)在不到一個(gè)世紀(jì)，而軟體機(jī)器人的研究更是開展得較晚，因此有關(guān)于軟體機(jī)器人的研究還有許多需要改進(jìn)和完善的地方，如軟體機(jī)器人的無限多自由度增加了其運(yùn)動(dòng)建模的難度等。本文從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、建模和制造方法四個(gè)方面介紹軟體機(jī)器人的研究概況。

1 結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來源于仿生學(xué)，比如剛性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照的是人體的手臂結(jié)構(gòu)。同樣地，軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是參照了自然界中生物的生理結(jié)構(gòu)。

軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可以分為靜水骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)[3]。

1.1 靜水骨骼結(jié)構(gòu)

靜水骨骼結(jié)構(gòu)源于許多軟體動(dòng)物（如蠕蟲等），大部分軟體動(dòng)物沒有骨骼，他們是由表皮、體液、神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉等組成。由表皮包裹體液和神經(jīng)系統(tǒng)，形成體積不變的一個(gè)封閉腔（體積由體液決定），這是靜水骨骼結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)。當(dāng)體積被限制時(shí)，肌肉往一個(gè)方向伸長(zhǎng)或收縮時(shí)，其他方向相應(yīng)的也會(huì)收縮或伸長(zhǎng)，于是通過不斷地控制不同肌肉的收縮以及收縮量就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

利用上述原理，麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室率先研制出了仿生蚯蚓機(jī)器人Meshworm[4]。如圖1所示，蚯蚓的縱向肌肉收縮可以增加身體的直徑，圓周狀的環(huán)肌收縮可以縮短身體的直徑，當(dāng)各段的肌肉配合進(jìn)行收縮、擴(kuò)張時(shí)，蚯蚓就可以實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)。

圖1 蚯蚓結(jié)構(gòu)

如圖2所示，Meshworm采用了形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA），主體為一根聚合管，在主體周圍環(huán)繞網(wǎng)格狀SMA，驅(qū)動(dòng)周圍環(huán)繞的SMA形變，其就可以模仿蚯蚓肌肉的運(yùn)動(dòng)。SMA的形變作用于主體聚合管上，可以實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度可達(dá)0.05m/s。該結(jié)構(gòu)可以承受較大的載荷，在一些狹窄崎嶇的地形中可大放異彩。

圖2 Meshworm結(jié)構(gòu)

之后，有研究人員參照蠕蟲、爬蟲等軟體動(dòng)物研制出形形色色的靜水骨骼結(jié)構(gòu)，比如，GoQBot軟體機(jī)器人具有和毛蟲一樣的外形，并能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、彈射運(yùn)動(dòng)等[5]，這里不一一介紹。

1.2 肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)

肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)沒有封閉的流體腔，這是它與靜水骨骼結(jié)構(gòu)的最大不同。肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)完全是由肌肉纖維組成，例如動(dòng)物的舌頭、章魚的觸手等都是肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)。

其中，具有代表性的設(shè)計(jì)是歐洲章魚項(xiàng)目組，該項(xiàng)目組參照章魚觸手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖3所示，章魚的觸手由軸向、橫向和斜向的肌肉纖維組成，肌肉之間嵌著神經(jīng)系統(tǒng)，章魚可以通過收縮觸手的軸向肌肉來實(shí)現(xiàn)觸手的縮短，收縮橫向肌肉可以使觸手伸長(zhǎng)，收縮斜紋肌則可實(shí)現(xiàn)觸手的旋轉(zhuǎn)。

圖3 章魚觸手肌肉

該項(xiàng)目組基于此原理，研制出基于電活性聚合物（EAP）人工肌肉的仿生章魚觸手。如圖4所示，四根圓柱形的EAP人工肌肉作為軸向肌肉，而四個(gè)弧形的EAP人工肌肉則作為橫向肌肉，在進(jìn)行鍍金電極、封裝等制作步驟后，仿生章魚肌肉便制作完成。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該仿生章魚觸手在施加2000V的電壓之后可以達(dá)到20%左右的收縮量[6]。

圖4 EAP人工肌肉

2 驅(qū)動(dòng)方式

為了實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，便要考慮驅(qū)動(dòng)器的選擇。由于軟體機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式，其對(duì)制動(dòng)器的靈活性、功率等都提出了很高的要求。

軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式大致可以分為流體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)三類。

2.1 流體驅(qū)動(dòng)

流體驅(qū)動(dòng)中最具代表性的是氣體驅(qū)動(dòng)，氣體驅(qū)動(dòng)通過氣壓變化來使結(jié)構(gòu)變形或運(yùn)動(dòng)。氣體驅(qū)動(dòng)又可以分為正壓驅(qū)動(dòng)與負(fù)壓驅(qū)動(dòng)，正壓驅(qū)動(dòng)是向構(gòu)件中充入氣體來增大構(gòu)件內(nèi)部的氣壓來使構(gòu)件膨脹從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，而負(fù)壓驅(qū)動(dòng)則是利用儀器抽出構(gòu)件內(nèi)的氣體，使構(gòu)件的腔體收縮來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)動(dòng)作。

如圖5所示，哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)的多步態(tài)軟體機(jī)器人從進(jìn)氣管通入氣體，改變氣壓大小等參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)等運(yùn)動(dòng)[7]。

圖5 多步態(tài)軟體機(jī)器人

圖6展示的是Brown等研制的球形軟體抓手，其通過抽取腔體里的氣體使機(jī)器人表面緊緊貼附在需要抓取的物體之上并實(shí)現(xiàn)抓取[8]。

圖6 軟體抓手

2.2 智能材料驅(qū)動(dòng)

前述形狀記憶合金（SMA）、電活性聚合物（EAP）等都是屬于智能材料。

SMA是通過熱彈性與相變及逆變而具有形狀記憶的特性，通過加熱升溫，SMA就可以消除其在較低溫度下產(chǎn)生的形變。SMA驅(qū)動(dòng)器具有質(zhì)量小、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但也存在效率較低、容易老化的缺點(diǎn)。

EAP在受到電刺激之后會(huì)產(chǎn)生形變，EAP材料的質(zhì)量比較輕，驅(qū)動(dòng)效率比較高，抗沖擊的能力也比較強(qiáng)，但是驅(qū)動(dòng)EAP所需要的激勵(lì)電場(chǎng)比較大，穩(wěn)定性也比較差。

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，越來越多的優(yōu)良性能的材料逐漸應(yīng)用到軟體機(jī)器人的研究中，相信在未來會(huì)出現(xiàn)集效率高、所需激勵(lì)能量小等各種優(yōu)點(diǎn)的新型智能材料。

2.3 化學(xué)驅(qū)動(dòng)

化學(xué)驅(qū)動(dòng)是指利用不同物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，往往是通過在機(jī)器人中內(nèi)置反應(yīng)劑，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求投入相應(yīng)的催化劑產(chǎn)生能量，通過機(jī)器人內(nèi)部的通道來傳遞能量，最終使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來。

如圖7所示，全軟體機(jī)器人Octobot是由3D打印技術(shù)制作而成，其8只觸手通過氣液體微孔道聯(lián)通；注入過氧化氫溶液到機(jī)器人體內(nèi)，在壓力的作用下，溶液通過微孔道流過機(jī)器人體內(nèi)，當(dāng)遇到體內(nèi)的鉑催化劑時(shí)，發(fā)生反應(yīng)并釋放出氣體，觸手通道就會(huì)膨脹，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖7 全軟體機(jī)器人

3 建模方法

傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的建模已經(jīng)有了許多系統(tǒng)的方法，如用D-H法可以得出各關(guān)節(jié)的相對(duì)坐標(biāo)量，也可以建立末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確地獲得實(shí)時(shí)的末端運(yùn)動(dòng)參數(shù)。而軟體機(jī)器人變形連續(xù)性以及無限自由度并不完全適用傳統(tǒng)的分析方法和模型，因此需要在已有的方法和模型基礎(chǔ)上，繼續(xù)補(bǔ)充或者提出新的模型來求解軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。

目前常用的軟體機(jī)器人建模方法是，在連續(xù)剛形體方法的基礎(chǔ)上，將每一小節(jié)的常曲率（CC）段接合在一起，最后得到分段常曲率（PCC）模型。這個(gè)PCC模型把長(zhǎng)度、曲率和偏轉(zhuǎn)角作為參數(shù)，再通過改進(jìn)的D-H法將構(gòu)型空間下的軟體結(jié)構(gòu)的末端點(diǎn)映射到工作空間中，從而得出從構(gòu)型空間轉(zhuǎn)換到工作空間的通用齊次矩陣。如果構(gòu)件的曲率不為常數(shù)，則需要將構(gòu)件分為若干曲率恒定的小段，再使用PCC模型進(jìn)行求解。

也有許多新的建模方法被提出，如Trivedi等在梁理論與Cosserat桿理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合得到了一種更為復(fù)雜的梁理論[9]；Renda等基于Cosserat模型的離散化開發(fā)了兩種高效的遞歸算法，提出了一種新的用于多分段軟機(jī)械手動(dòng)力學(xué)的分段恒定應(yīng)變模型，減少了計(jì)算時(shí)間，也提高了模型精度。

4 制造方法

軟體機(jī)器人的制造包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)的制造、驅(qū)動(dòng)器的制造、柔性電路的制造等。軟體機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的制造方法有3D打印、快速成型技術(shù)等?？焖俪尚图夹g(shù)又包括形狀沉積法（SDM）、熔融沉積成型、未注射成型等。

SDM方法可以把傳感器、電路結(jié)構(gòu)等嵌入在其中，圖8是SDM的流程示意圖。早在1994年，Merz等就詳細(xì)地講述了SDM的實(shí)施步驟。

圖8 SDM工藝流程圖

SMA制動(dòng)器的主要制作方法也可采用SDM工藝，如圖9所示，將SMA通過表面微加工技術(shù)嵌入聚酰亞胺基底上。

圖9 SMA嵌入工藝

可伸展的電路一般有兩種，一種是波紋狀結(jié)構(gòu)，在制造時(shí)留下拉伸的余量，當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，余量可以保證電路不斷裂[10]。另一種是平行四邊形的開環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將電極沉積在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表面，平行四邊形不穩(wěn)定，可以拉長(zhǎng)或縮短，從而實(shí)現(xiàn)電路的伸展[11]。

5 總結(jié)和展望

軟體機(jī)器人涉及到材料科學(xué)、化學(xué)、MEMS、控制科學(xué)等學(xué)科，是一門綜合學(xué)科，同時(shí)也是一門新興學(xué)科。軟體機(jī)器人的主體與驅(qū)動(dòng)器的材料主要依靠材料學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)有的材料方案在應(yīng)力應(yīng)變、壽命等方面或多或少都有一些缺陷。由于軟體機(jī)器人理論上的無限自由度和運(yùn)動(dòng)的不可靠性和多樣性，現(xiàn)有的建模方法還有許多缺陷，而沒有精確的建模方法就沒有辦法進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。當(dāng)然根據(jù)歐洲章魚項(xiàng)目組對(duì)章魚觸手的研究，章魚的觸手運(yùn)動(dòng)并不是完全由大腦控制的，許多具體的信號(hào)是由章魚的觸手自行計(jì)算并發(fā)出的，這也為研究控制軟體機(jī)器人提供了一些新的思路。

綜上所述，軟體機(jī)器人目前還存在許多問題有待解決，但所有學(xué)科都是一步步突破障礙逐漸走向成熟的，相信隨著各個(gè)學(xué)科的發(fā)展以及深度融合，軟體機(jī)器人將在不遠(yuǎn)的未來大放異彩，成為人類最好的助力之一。