哈工大冷勁松教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)柔性機(jī)器人的研究《Multifunctional Soft Stackable Robots by Netting-Rolling- Splicing Pneumatic Artificial Muscles》在線發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域的著名期刊Soft Robotics，在這項(xiàng)工作中作者基于模塊化的氣動(dòng)人工肌肉的柔順特性利用一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)狀卷曲拼接的堆疊方法將2D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升維至3D結(jié)構(gòu)，并基于此實(shí)現(xiàn)了多種功能并達(dá)到了最佳的綜合性能。

在未知和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中，越來(lái)越需要具有多種功能的軟體機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)安全、自適應(yīng)和自主功能。機(jī)器人堆垛是一種很有前途的解決方案，它可以增加軟體機(jī)器人的功能多樣性，以實(shí)現(xiàn)安全的人機(jī)交互和適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)多功能軟機(jī)器人功能有限，或者沒(méi)有充分顯示出機(jī)器人堆垛方法的優(yōu)越性。在此，我們提出了一種新穎的機(jī)器人堆疊策略——網(wǎng)狀卷曲拼接(Netting-Rolling-Splicing, NRS)，一種基于網(wǎng)狀堆疊式氣動(dòng)人工肌肉的2d 結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)卷曲-拼接提升3D維度的方法，從而基于相同的、簡(jiǎn)單的、低成本的模塊快速高效地制造多功能軟體機(jī)器人。

         

圖1：具有五種仿生模式的模塊化'多面手'軟機(jī)器人

         

▍網(wǎng)狀卷曲拼接機(jī)器人

在這里，“網(wǎng)狀” (Netting) 被定義為在兩個(gè)垂直方向，以模塊化驅(qū)動(dòng)器的矩形單元為基礎(chǔ)連接形成二維驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)?！熬砬?(Rolling) 被定義為基于氣動(dòng)肌肉的柔順性在一個(gè)方向上彎曲2D驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)?！捌唇印?(Splicing) 被定義為將卷曲的二維驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)格的兩端邊緣拼接/連接，以構(gòu)建一個(gè)三維驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)輸入匹配的驅(qū)動(dòng)器，選擇不同的矩形單元，調(diào)整單元陣列排列，可以在“Netting”步驟中對(duì)NRS機(jī)器人的構(gòu)型和功能進(jìn)行編程。通過(guò)控制3D驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的變形和剛度，機(jī)器人可以執(zhí)行不同的任務(wù)。這些驅(qū)動(dòng)器可以分為“截面” (Sectional) 驅(qū)動(dòng)器和“軸向” (axial) 驅(qū)動(dòng)器，它們?cè)跈C(jī)器人的驅(qū)動(dòng)中具有不同的作用。例如，截面驅(qū)動(dòng)器不僅可以改變截面尺度，還可以改變截面形狀; 軸向驅(qū)動(dòng)器不僅可以改變軸向長(zhǎng)度，還可以改變沿長(zhǎng)度的曲率 (圖3)。

圖2：網(wǎng)狀卷曲拼接(Netting-Rolling-Splicing, NRS)

圖3：縱向與橫向驅(qū)動(dòng)器測(cè)試

▍爬行機(jī)器人

爬行是移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)功能之一。受蠕蟲的啟發(fā)，TriUnit也可以用于簡(jiǎn)單的單向爬行。由于WPAMs可以實(shí)現(xiàn)更大的膨脹行程，具有三根軸向WPAMs的TriUnit爬行器 (配備單向車輪) 比具有三根軸向CPAMs的TriUnit爬行得更快。CPAM和WPAM履帶式機(jī)器人的控制策略靈感來(lái)自于毛毛蟲的身體爬行和腳定位，如圖所示，其中單節(jié)TriUnit僅使用軸向驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行爬行。而以蚯蚓為靈感的波動(dòng)爬行運(yùn)動(dòng)也可以通過(guò)堆疊多個(gè)TriUnits來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要單向輪等單向結(jié)構(gòu)，如圖4。

圖4 爬行機(jī)器人

TriUnit爬行機(jī)器人，每秒能爬0.46±0.022個(gè)體長(zhǎng)，擁有兩種爬行模式單向振蕩爬行和行波蠕動(dòng)爬行。

         

TriUnit震蕩與行波爬行機(jī)器人

▍攀爬機(jī)器人

攀爬是移動(dòng)機(jī)器人的另一種不同尋常的運(yùn)動(dòng)能力，它們可以在各種3D表面上移動(dòng)來(lái)執(zhí)行給定的任務(wù)。TriUnit還可以用于管外和管內(nèi)爬升 (其步態(tài)如圖所示)。不過(guò)具有三根軸向CPAM的TriUnit 比具有三根軸向WPAM的TriUnit 爬升得慢得多。基于CPAM和WPAM的攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)基于釋放、收縮/伸展和擁抱的動(dòng)作，其靈感來(lái)自猴子的手臂或腿部夾緊和釋放動(dòng)作，分別如圖5所示。圖5c所示驅(qū)動(dòng)序列同樣適用于WPAM攀爬機(jī)器人的向下攀爬，圖5d所示驅(qū)動(dòng)序列同樣適用于CPAM攀爬機(jī)器人的向下攀爬。
此外，通過(guò)改變控制策略，可以實(shí)現(xiàn)更多的運(yùn)動(dòng)方式。如圖5g所示，具有軸向WPAMs的TriUnit在攀爬管柱時(shí)，還能以1.6°/s的速度實(shí)現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。它的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)依賴于所有9個(gè)驅(qū)動(dòng)器的獨(dú)立控制和它們的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，這是受到猴子在橫向樹狀運(yùn)動(dòng)時(shí)肢體和脊柱的協(xié)作運(yùn)動(dòng)啟發(fā) (圖5h)。

圖5：攀爬機(jī)器人

         

 

，時(shí)長(zhǎng)00:57

全向攀爬機(jī)器人TriUnit垂直攀爬時(shí)能攜帶3公斤的有效載荷，還可用于實(shí)現(xiàn)新型的全方位爬管，包括旋轉(zhuǎn)爬管，并基于它們的多模態(tài)組合進(jìn)行仿生吞咽、多自由度操作。

▍吞咽機(jī)器人

吞咽是許多生物攝取食物的基本能力。機(jī)器人吞咽器可用于抓取和運(yùn)輸物品。雖然已有一些關(guān)于包覆抓取和內(nèi)穿運(yùn)輸?shù)某錾芯砍晒壳斑€缺乏結(jié)合抓取和運(yùn)輸?shù)耐萄?反芻多功能軟機(jī)器人。其他一些基于剛性結(jié)構(gòu)的吞咽機(jī)器人，由于剛性運(yùn)動(dòng)的限制，機(jī)器人的適應(yīng)性和多功能性較為受限。
在這項(xiàng)工作中，基于TriUnits的吞咽機(jī)器人能夠用于包覆抓取和內(nèi)穿運(yùn)輸。本研究中的機(jī)器人吞咽機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)吞咽和儲(chǔ)存，還可以實(shí)現(xiàn)類動(dòng)物的反芻和內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)輸。為了更好的可視化，我們將三個(gè)TriUnit堆疊在一起，形成一個(gè)垂直的機(jī)器人吞咽器，其中兩個(gè)TriUnit，一個(gè)基于WPAMs和CPAMs，另一個(gè)TriUnit則完全基于WPAMs。如圖6a為一個(gè)直徑120毫米、重89克的3D打印球被機(jī)器人吞下。吞咽運(yùn)動(dòng)受蛇吞咽的啟發(fā)，是通過(guò)截面和軸向PAM的不斷擠壓和推動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由1-6組氣動(dòng)肌肉的連續(xù)膨脹和收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示。

圖6：吞咽機(jī)器人

吞咽與反芻機(jī)器人

▍滾動(dòng)機(jī)器人

滾動(dòng)是動(dòng)物中罕見的運(yùn)動(dòng)能力，理論上可將多個(gè)全向彎曲單元 (如TriUnits) 堆疊用于垂直滾動(dòng)步態(tài)。但假如只有一個(gè)單元，滾動(dòng)將變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)闄C(jī)器人需要大幅改變重心。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究在設(shè)計(jì)中采用了初始二維驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)格的橫向疊加，而不是軸向疊加。首先，測(cè)試了基于四邊形單元的NRS單元 (簡(jiǎn)稱QuadUnit)。QuadUnit具有一個(gè)形狀自由度，重心的變化范圍可以滿足滾動(dòng)的要求。但是它的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得滾動(dòng)行為更加隨機(jī)，這限制了滾動(dòng)的可控性，使得它只適用于動(dòng)態(tài)滾動(dòng)[而不是靜態(tài)滾動(dòng)。
本研究采用基于NRS單元的五邊形單元 (簡(jiǎn)稱PenUnit) 進(jìn)行機(jī)器人滾動(dòng)，該單元具有兩個(gè)形狀自由度，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但具有更高的可控性。PenUnit實(shí)現(xiàn)了速度為0.28 BL/s的靜態(tài)穩(wěn)定滾動(dòng)，如圖所示，其中使用了5組“截面”CPAM。滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)受到輪蜘蛛的啟發(fā)，依賴于截面輪廓的變換，通過(guò)5組CPAM按順序充放氣來(lái)控制剛度的順序變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

圖7：滾動(dòng)機(jī)器人

         

PenUnit滾動(dòng)機(jī)器人

▍多冗余與吞咽柔性臂機(jī)器人

受到象鼻的靈巧操作能力和蛇的吞咽能力的啟發(fā)，本文將四個(gè)基于CPAMs的TriUnits (以實(shí)現(xiàn)足夠大的彎曲角度范圍和負(fù)載承載能力) 和三個(gè)基于WPAMs的TriUnits (以實(shí)現(xiàn)良好的吞咽和抓取) 堆疊為一個(gè)多功能柔性臂。其具有較高的操作靈活性，并具有28個(gè)自由度 (軸向PAM組為21自由度，截面PAM組為7自由度)。因此，該柔性臂不僅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多自由度操作運(yùn)動(dòng) (圖8a和圖8b)，還可以實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)、吞咽、儲(chǔ)存等多模式操作，如圖8c-e所示。如圖8c所示，NRS柔性臂可以抓取放置在圓柱體 (82 g，外徑130mm，高度90mm) 中的1公斤有效載荷。該柔性臂還展示了透明塑料球 (70g，直徑120mm) 的取放 (圖3 26d)。此外，其還可以像蛇一樣同時(shí)吞咽、運(yùn)輸和儲(chǔ)存物質(zhì)。例如，吞下一個(gè)橢球 (125g，130mm×180mm)，并運(yùn)輸儲(chǔ)存到體內(nèi)后，繼續(xù)抓去另一個(gè)球體 (89g，直徑120mm) 并吞下 (圖8)。

圖8：多冗余與吞咽柔性臂機(jī)器人

         

多冗余與吞咽柔性臂機(jī)器人

▍全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移

并且我們將TriUnit爬管機(jī)器人應(yīng)用于全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移，以驗(yàn)證機(jī)器人對(duì)不同任務(wù)的適應(yīng)性。NRS堆疊驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人在現(xiàn)有的堆疊式軟機(jī)器人中表現(xiàn)出最佳的綜合性能，代表了一種新的、有效的方法，以經(jīng)濟(jì)有效的方式構(gòu)建多功能和多模態(tài)軟機(jī)器人，如圖9。

圖9：全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移

         

全景拍攝機(jī)器人

載荷轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人

來(lái)源：機(jī)器人大講堂

  

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