软体机器人的分类与加工制造研究

尤小丹 宋小波 陈 峰

（南通大学电气工程学院1，江苏 南通 226019；常州先进制造技术研究所2，江苏 常州 213164）

软体机器人的分类与加工制造研究

尤小丹1，2宋小波2陈 峰1

（南通大学电气工程学院1，江苏 南通 226019；常州先进制造技术研究所2，江苏 常州 213164）

对软体机器人的分类和加工制造等问题进行了调查研究。软体机器人可以分为有缆驱动式软体机器人和无缆驱动式软体机器人，其采用电活性聚合物、聚合凝胶等作为致动器。软体机器人的制造包括柔软本体制造、柔性致动器制造和可伸展电子电路制造，采用了形状沉积法、智能微结构等新型制造方法。软体机器人是仿生机器人研究的延续，也是一种新兴的机器人，对它的研究才刚刚起步，在未来的研究中将面临更多的挑战。

软体机器人 仿生机器人 驱动方式 电活性聚合物 智能材料

0 引言

传统机器人的刚性结构限制了其与环境相互作用的能力。如传统的机器人使用刚性连接，并采用末端执行器操作对象，其通常分量重且昂贵，能执行的动作类型有限，在非结构化和高度拥挤的环境中常会遇到困难。然而各种动植物在复杂的运动中却表现出了其柔性结构。如章鱼触手和大象的鼻子，它们的肌肉结构属于典型的肌肉性静水骨骼结构，通过加压渗透可以改变其形状。研究人员根据生物学特征而设计和构建的软体机器人，可在混乱或者非结构化的环境中，利用其软结构和冗余自由度来完成微妙的工作。

近年来，随着仿生技术的快速发展，越来越多的研究人员开始关注仿生软体机器人的研究。该机器人具有传统机器人所无法媲美的柔软性能，能够根据环境状况而灵活改变自身形状，对工作空间狭小及非结构化环境具有独特的适应能力，这使得软体机器人的应用极为广泛。

本文将对软体机器人的一些现状进行分析并指出未来发展的趋势。

1 软体机器人分类

仿生软体机器人主要由弹性基础材料构成，依靠自身形状在空间上的连续变化来实现运动，理论上具有无限多自由度［1］。软体机器人分类情况说明如下。

①根据用途的不同，可以将软体机器人分为：工业机器人、特种机器人或者是陆地机器人、水下机器人和地外探险机器人。

②根据驱动方式的不同，可以将软体机器人分为：物理驱动式软体机器人和化学驱动式软体机器人。

③根据结构类型的不同，可以将软体机器人分为：静水骨骼结构软体机器人、肌肉性静水骨骼结构软体机器人以及其他结构软体机器人。

④根据受控方式的不同，可以将软体机器人分为：点位控制型软体机器人和连续控制型机器人。

⑤根据能量供给方式的不同，可以将当前的软体机器人分为：有缆驱动和无缆驱动式软体机器人。有缆驱动式软体机器人和无缆驱动式软体机器人特性比较如表1所示。

下面着重介绍有缆驱动式软体机器人和无缆驱动式软体机器人。

表1 有缆和无缆驱动式软体机器人特性比较Tab.1 Com parison of the features of cable driven and w ireless driven soft robots

1.1 有缆驱动式软体机器人

有缆驱动技术的优点是能量供应方便而且充足，但对于应用在细小管道和狭小空间等特殊环境下的软体机器人，如果采用有缆驱动式供能，会使得软体机器人的灵活性、移动距离和行走路线受到限制［2］。

有缆驱动方式主要有气/液压驱动、人工肌肉驱动、形状记忆合金驱动等。Steltz等［3］人研制了一种基于“堵塞”［4］原理的气压驱动式仿生球形机器人，它于智能机器人及智能系统2009年国际会议上第一次展出［5－6］。该机器人内部分若干独立驱动单元，每个单元内都装有空气和微粒的混合物。机器人内部是不可压缩的流体，中心为单个气囊构成的致动器，它通过气压驱动独立单元膨胀或收缩的交替变化，促使机器人一涨一缩向前移动。

Kimura等［7］人研制了仿变形虫机器人，该机器人主要包括流体腔室和压力管。其依靠气压驱动压力软管拉伸与收缩的交替变形，迫使相邻的液体弹性腔室发生可控位移，实现机器人向前翻转运动。目前，该机器人的滚动速度约为4mm/s。

美国东北大学海洋科学中心研制出鳗鲡模式游动的七鳃鳗仿生机器人［8］。该机器人由装有电源、控制系统的树脂玻璃绝缘罩和形状记忆合金驱动的波动器组成，绝缘罩中装有罗盘、测量摆动斜度的倾斜仪和声呐。该机器人利用电流加热的形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）作为致动器，绕躯体轴线有节奏地横向波动，从头部到尾部左右摆动的摆幅逐渐增加，波动从尾部到头部反馈回来，从而推动其前进。该机器人结构简单，游动时无噪声，具有极佳的隐蔽性能。

美国哈佛大学的科学家们研制了一种新型软体机器人［9］。该机器人采用软光刻技术借助空气前行，其四肢可以各自独立操控，通过人工或计算机自动控制将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动。它能够穿过距离地面不到1.9 cm的狭小缝隙，平均行进速度约6.67mm/s。

Kagawa大学的郭书祥等人研制出了一种利用电致动作原理的ICPF高分子聚合物材料作为驱动器的水下多自由度机器人［10］。该机器人由ICPF高分子聚合物材料组成三条步行足和两条尾鳍。在ICPF驱动下，当三条步行足协调摆动时机器人移动更迅速，利用ICPF产生气泡的特性，使机器人遇到障碍物时可以迅速上浮，从而达到蔽障的目的。ICPF驱动具有柔性好、驱动电压低、响应快、可以在水下作业等优点。

Walker与Jones研究小组研制了一种仿章鱼触手的机器人OctArm［11－13］。该机器人利用McKibben气动人工肌肉作为驱动装置。机器人总长为110 cm，在结构上分为4节，每节长度约为40 cm，每节由6段或者3段人工肌肉驱动，均具有2自由度的弯曲能力。整个机器人共具有12个自由度，最大运动速度可达0.8m/s。

Ravi Vaidyanathan等［14］人采用形状记忆合金（SMA）研制了一种静水海洋应用机器人。该机器人是模仿节状蠕虫设计的3节水下机器人。该设计使用SMA弹簧作为肌肉（力产生元件），使用乳胶膀胱作为静水骨骼支撑（液压元件），通过简单的电阻电路实施四开关二进制控制器来控制3个分段机器人。该机器人以蠕动方式运动，最大移动步距为22mm，最大移动速度为6mm/s，最大转角在18°～21°之间［14－16］。

1.2 无缆驱动式软体机器人

无缆驱动方式软体机器人通过空间各种“场”传递能量，大大增加了机器人的运动灵活性，能更好地满足非结构化作业环境要求。这使软体机器人应用于废墟搜救、医疗诊治和管道检修等领域成为可能［17］。

李德胜等［18］人使用电场聚合物（EAP）作为驱动器，研制了一种龟状软体机器人，这种机器人的四肢全部采用离子导电聚合膜制成，可以爬行和游泳。Otake等［19－20］人采用EAP研制了一种仿海星软体机器人。该机器人采用电活性聚合物凝胶制成。电活性聚合物系统包括聚合物和电极。机器人被置于4行4列的电极矩阵中，通过控制电压使其产生不同的电场，从而使得机器人能够改变形状并进行移动或翻滚。

Hara等［21－23］人使用聚合物凝胶（polymer gel，PG）作为驱动器，研制了一种仿尺蠖机器人。该机器人是由凝胶制成的弧形带状结构，在特定环境下可通过凝胶的自激振荡原理实现自主行走。

日本Eamex公司成功地用EAP制成了第一个商业化的机器鱼。该机器鱼长67 mm，内部装有发电用的线圈和控制用的微计算机。把机器鱼放入能产生电场的专用水槽中，从槽外通电，由于电磁感应现象，线圈自动发电。微计算机控制电流，激活EAP中的离子，实现机器鱼的游动。

美国塔夫斯大学巴里-特里墨尔等人正在研制一种仿毛毛虫软体机器人［24］。该机器人利用电致伸缩化学材料作为驱动器，通过外置电场的调控，使其能主动变形挤入各种狭小空间，到达作业地点后自动进行生物降解。该机器人具有极强的柔韧性与延展性，不但能够渗入直径为1 cm的空间，而且能够扩展至原有大小的10倍，并且最终通过生物降解化为无形［24－26］。但目前该仿生机器人的变形响应很慢，所以形状也有所限制。

美国加利福尼亚大学研究人员研发了一款全新光控水凝胶软体机器人［27］，该机器人使用的材料由合成物和含石墨烯的弹性蛋白组成。当材料冷却时，合成的蛋白质能够吸收水分，而变热时又能够将水分释放出来。材料中的石墨烯薄片暴露于红外光线时会产生高温。当材料置于红外光线下时，石墨烯薄片加热周围的蛋白质，使得材料多孔的一面比另一面更快速地释放水分。该机器人通过凝胶的不均匀收缩，使其弯曲变形。

2 软体机器人的制造

软体机器人的制造与传统机器人最大的不同就是使用柔性材料，其嵌入装配也与传统机器人不同，比如致动器、传感器等部件不采用螺栓、螺母等铰链方式，而是采用铸造、层压以及黏合等方法。软体机器人的制造包括软体机器人的外观制造、柔性致动器的制造和可伸展电路的制造［28］。

软体机器人外观制造的主要制造方法有形状沉积法（shape deposition manufacturing，SDM）、智能微结构合成法（smart composite microstructure，SCM）、嵌入成型法、软材料沉积等。SDM方法在2000年第一次被斯坦福集团的马克教授团队应用于机器人零件的制造［29］。该方法的流程如图1所示。

Fig.1 Schematic diagram of SDM process

这一过程可以使得刚性材料和灵活性材料组合成一体，从而增强本体的鲁棒性和可靠性。比如iSprawl［30－31］和Stickybot［32］这两款机器人，在软体复杂的部分均使用了形状沉积方法（SDM），从而使得这两款机器人拥有传统机器人不可能拥有的特性。

SCM是一种能整合由碳纤维复合材料与聚合物薄膜制成的可弯曲关节的刚性连接的制造过程。该过程使用微激光器切割出复合平面聚合物薄膜需要的形状，并且采用不同材料分层创建集成结构。这种制造过程特别适合中尺度机器人。SCM允许使用摩擦小、结构简单的弯曲关节，这解决了传统制造方法中对于旋转接头中存在的摩擦大的问题。

软体机器人的致动器大多数都是采用电活性聚合物（EAP）、形状记忆合金（SMA）和聚合凝胶（PG）。电活性聚合物（EAP）是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料，当外界电激励撤销后，它又能恢复到原始的形状和体积［33］。EAP与传统功能材料性能比较如表2所示［34］。由表2可知，与形状记忆合金、压电陶瓷等传统功能材料相比，EAP具有变形大、响应迅速、功耗低、质量轻、柔韧性好等特性。

表2 EAP与传统功能材料性能比较Tab.2 EAP com pared w ith traditional function material perform ance

目前，可伸展电子电路也是软体机器人研究的一个关键。刚性电子器件会限制软体机器人的变形能力，所以可伸展电子电路对于软体机器人来说特别的重要。

伊利诺斯大学研究人员发明了一种新的可拉伸硅集成电路［35］，这种电路可以紧贴球体、人体表面和机翼等复杂形状并将其包裹起来，在拉伸、压缩、折叠和其他极端机械变形情况下电路也可以工作且电学性能稳定。这为软体机器人的研究提供了可靠的保证。

3 未来研究

软体机器人技术的不断进步取决于新型软传感器、致动器以及软体机器人的设计优化、控制和制造技术及有效的软结构互连。从国内外关于软体机器人的研究现状来看，未来还需要从以下几个方面开展研究工作。

①新材料、新结构。目前在软体机器人中可供使用的活性材料非常紧缺，这使得软体机器人的商业使用不切实际。因此，有必要研究制造新的活性物质。由于传统的刚性连接器（如金属紧固件）和电极不能用于软体结构，因此必须开发新的连接机构和执行机构。

②建模技术。目前对于软体机器人的建模基本都是采用试验的方法，对模仿对象进行力学分析和建模可尝试通过理论分析方法进行建模。但是由于软体机器人的结构和材料的非线性以及其理论上的无限自由度，使得软体机器人精确物理模型的建立极具挑战性。此外，建模需考虑多耦合问题，并且要在加工和精确控制模型的基础上进行可优化设计。

③传感器控制技术。理论上软体机器人是无限自由度的，但是实际软体机器人的传感器和执行器是有限的。因此，多自由度的软体机器人并不是直接可观察或是可控制的。这对软体机器人的传感器和形状控制以及运动提出了挑战。目前，软体机器人使用的控制方法都是基于简化的模型，不能保证无限自由度的控制。

④软致动器技术。软致动器在软体机器人中扮演着重要的角色，在未来的研究中我们需要通过结构、控制过程的优化设计，开发出各种基于软材料的致动器，使其能真正为软体机器人的应用发展贡献力量。

⑤人机交互技术。软体机器人在实践中的一个重要问题是用户和操作界面。目前软体机器人的操作界面还处于起步阶段。软体机器人的结构和运动不同于类人机器人，其会给操作者带来不便。因此，在未来的研究中需要把更多的精力集中在软体机器人的反馈和输入设备的硬件和软件设计上，从而实现友好的人机交互界面。

4 结束语

本文介绍了软体机器人分类，概述了有缆驱动式和无缆驱动式软体机器人的特点及工作原理，归纳总结了现有的软体机器人制造方法，并分析了软体机器人作为一种新型机器人在未来发展中面临的诸多挑战。

目前，软体机器人的应用研究主要体现在医疗领域和工业领域两个方面。美国处在该领域研究的前沿，我国对于软体机器人应用研究尚处于起步阶段，随着新材料、软传感器以及控制理论等相关技术和理论的发展，软体机器人将得到越来越广泛的应用。未来的软体机器人将会采用柔性电子元件和微型硬件，它们可以分布式嵌入柔软材料中［36－37］。

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Research on the Classification and Processing Manufacturing of Soft Robots

The classification and manufacturing processes of the soft robots are researched and investigated.Basically，there are two categories of soft robots，i.e.，the cable driven soft robot and the wireless driven soft robot；while the actuators are using electro-active polymer（EAP）and polymer gel，etc.Themanufacturing of the soft robots includes three parts，i.e.，flexible body fabrication，flexible actuator fabrication，and stretchable electronic circuit fabrication；novelmanufacturingmethods such as shape deposition and smartmicrostructure are applied.Soft robot is the continuation of the research on biomimetic robot，and it is an emerging robot，its research has just started，and will face more challenges in the future.

Soft robot Biomimetic robot Drivingmode Electro-active polymer Smartmaterials

TP242

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