软体末端执行器的研究现状★

仲天赐，陆明月，吴言言

（江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州 213001）

0 引言

随着近年来经济的快速发展，以及自动化控制、工业制造、机器人形态学等方面技术的不断进步,机器人作为交叉学科汇聚了各方面的顶尖技术，在人类社会中扮演着越来越重要的角色[1]。传统机器人大多是由刚性材料构成，其结构复杂、体型较大、灵活性差，满足不了如管道探伤、果蔬采摘等复杂环境的作业需求。而软体机器人主要由硅胶、编织物等柔性材料组成，其结构简单、变形较大、运动灵活，可适应于狭窄空间、复杂表面等环境，因此成为众多学者的研究热点[2]。

软体末端执行器是软体机器人与目标表面直接接触的关键部件，为提高末端执行器的适应性、降低对周围环境破坏和损伤，人们对软体末端执行器的设计与研制展开了如火如荼的研究。上海交通大学谷国迎团队使用纤维增强技术制造了三指软执行器，气体驱动执行器能够实现无损抓取[3]。然而，目前研究的软体末端执行器仍存在末端力小、抓取不稳定、可控性差的问题，为了解决这些问题，学者们从驱动方式、结构与材料组成、材料与制作等方面进行技术优化，本文将对此展开详细论述和探讨。

1 软体执行器驱动

现有研发的软体执行器主要采用形状记忆金属（Shape Memory Alloy，SMA）驱动、电活性聚合物（Electroactive Polymers，EAP）驱动、气体驱动等驱动方式。

1.1 SMA 软体执行器

基于SMA 驱动的软体执行器能够在温度调控下变形并恢复其最初形状，从而产生驱动力使执行器进行弯曲和卷曲运动，这些执行器控制装置简单、体积小、质量轻，如图1 所示a，加热状态下能够使得SMA发生膨胀弯曲，宽的SMA 加热使执行器向内弯曲，窄的SMA 加热使得执行器恢复原来的位置。

图1 SMA 手指的变形与恢复的状态

1.2 EAP 软体执行器

EAP 软体执行器通常是由离子聚合物（离子交换膜）和离子交换聚合金属材料（Ion-exchange Polymer Metal Composite，IPMC）、导电聚合物、介弹性体、凝胶和碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）等材料制作而成。导电聚合体是半导体经过氧化电导率，还原后半导体的电导率可以施加电势控制。因此，导电聚合物具有柔韧性、适应性和高导电性等特点，适合应用于电控软体执行器。如图2 所示，执行器的两种状态EAP 执行器负载能力较低，需要较大的电力源驱动。

图2 由乙醇与有机硅弹性体混合基质肌肉

1.3 气动软体执行器

气体驱动具有反应速度快、无污染的特点，也是比较常见的一种驱动方式。气动软体执行器种类较多，结构形态各异。研究人员使用多腔室结构或者是单腔室的结构制作驱动器，这些驱动都拥有主动层和被动层。通过气压的变化控制主动层的弯曲变化，可以使得主动层与被动层产生弯曲形变，实现软执行器的弯曲。气压驱动输出的力较大，响应速度较快、较好控制，但能耗较高。

2 软体执行器结构

对于软体执行器结构上的改变现有方式有改变多腔室的腔室结构，对单腔室附加纤维。

2.1 单腔室纤维增强

单腔室的执行器有易于制造、密封性强的优点。为了弥补末端力的不足和方便控制，在其外表面增加了纤维增强。各向异性管的非线性理论，以及简单的运动学模型表明，加压纤维增强空心圆柱体能够进行多种运动。

单腔式执行器在单个气腔上进行了改变，将其单个腔室划分为三个均匀腔室，每个腔室都连接气管，分别进行延伸与转向的作用。可以让执行器更好地通过T 形弯管的连接处，图3 为执行器的结构[4]。

图3 单腔式执行器

2.2 气动网格执行器

目前，气动网格执行器都是由软材料制成，由于抓取的对象差异性大、材料非线性等特点，导致结构参数差异较大,相应的设计方法和理论较为缺乏。现在的理论多基于非线性模型。多腔室执行器相比较单腔式执行器接触面积更大，抓取能力与稳定性更强，在腔室释放压力时，整个执行器在轴向发生形变，降低因材料非线性的影响，整个执行器趋于正常的常曲率结构。图4 为气动网格执行器的结构[5]，气动网格执行器分为慢速气动腔室和快速气动腔室，如图5 所示。从图5-1 可看出，慢速气动中两个腔室之间互相连接的部分为内壁，内壁厚于外壁。在施加气压时，外壁是最薄弱的部分先膨胀拉伸内壁，使得执行器整个部分发生弯曲[6]。

图4 气动网格执行器

图5 气动腔室

从图5-2 可看出，快速气动腔室膨胀延伸到每个腔室之间，内壁互相挤压。内壁比外壁更薄，当施加气压时，内壁的刚度降低，会比外壁先一步的膨胀，外壁的压力相对于内壁变小。由于腔室之间膨胀互相挤压会使主动层向着长度方向快速延伸。

3 制造与材料

软体执行器使用柔韧性较好的材料，在能够满足无损抓取的同时也能够满足性能的需求。随着技术和研究的深入，使用的柔性材料越来越多，例如SMA、EAP、纤维、聚合物和磁流体等仿生材料。

这些材料通常使用浇铸来铸造完成，使用3D 打印技术制作出模具，制作出所需要的执行器。这种方法成本低、成型快，适合多种材料组合使用。随着技术的发展，现有新技术4D打印制作软体抓手如图6 所示[7]。使用增材制造技术对智能材料进行快速成形，在环境的刺激下，使3D 结构发生改变进而形成4D 结构。

图6 4D 打印

4 结语

软体执行器涉及材料学、机械设计和制造、传感器及控制等多个学科，其凭借灵活性高、适应性好、制作成本低等优势，在医疗、农业等领域具有广泛的应用前景。能够实现无伤、便捷和稳定的抓取目标是执行器的关键任务，研究出不同结构和不同属性的执行器是近期较为热门的课题。对于现存执行器末端力不足的问题，可以在结构上加以改变，使用两种及其以上的结构结合在一起，利用不同种的驱动方式结合起来，互相弥补不足之处，来满足不同任务的需求。