哈工大柔性機器人登《Soft Robotics》，基于人工肌肉的可堆疊‘多面手’！
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在未知和不可預測的環(huán)境中，越來越需要具有多種功能的軟體機器人來實現(xiàn)安全、自適應(yīng)和自主功能。機器人堆垛是一種很有前途的解決方案，它可以增加軟體機器人的功能多樣性，以實現(xiàn)安全的人機交互和適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)多功能軟機器人功能有限，或者沒有充分顯示出機器人堆垛方法的優(yōu)越性。在此，我們提出了一種新穎的機器人堆疊策略——網(wǎng)狀卷曲拼接(Netting-Rolling-Splicing, NRS)，一種基于網(wǎng)狀堆疊式氣動人工肌肉的2d 結(jié)構(gòu)經(jīng)過卷曲-拼接提升3D維度的方法，從而基于相同的、簡單的、低成本的模塊快速高效地制造多功能軟體機器人。
圖1：具有五種仿生模式的模塊化'多面手'軟機器人
▍網(wǎng)狀卷曲拼接機器人
在這里，“網(wǎng)狀” (Netting) 被定義為在兩個垂直方向，以模塊化驅(qū)動器的矩形單元為基礎(chǔ)連接形成二維驅(qū)動器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)?！熬砬?(Rolling) 被定義為基于氣動肌肉的柔順性在一個方向上彎曲2D驅(qū)動器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)?！捌唇印?(Splicing) 被定義為將卷曲的二維驅(qū)動器網(wǎng)格的兩端邊緣拼接/連接，以構(gòu)建一個三維驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過輸入匹配的驅(qū)動器，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NRS機器人的構(gòu)型和功能進行編程。通過控制3D驅(qū)動結(jié)構(gòu)的變形和剛度，機器人可以執(zhí)行不同的任務(wù)。這些驅(qū)動器可以分為“截面” (Sectional) 驅(qū)動器和“軸向” (axial) 驅(qū)動器，它們在機器人的驅(qū)動中具有不同的作用。例如，截面驅(qū)動器不僅可以改變截面尺度，還可以改變截面形狀; 軸向驅(qū)動器不僅可以改變軸向長度，還可以改變沿長度的曲率 (圖3)。
圖2：網(wǎng)狀卷曲拼接(Netting-Rolling-Splicing, NRS)
圖3：縱向與橫向驅(qū)動器測試
▍爬行機器人
爬行是移動機器人的基本運動功能之一。受蠕蟲的啟發(fā)，TriUnit也可以用于簡單的單向爬行。由于WPAMs可以實現(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履帶式機器人的控制策略靈感來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)動器進行爬行。而以蚯蚓為靈感的波動爬行運動也可以通過堆疊多個TriUnits來實現(xiàn)，不需要單向輪等單向結(jié)構(gòu)，如圖4。
圖4 爬行機器人
TriUnit爬行機器人，每秒能爬0.46±0.022個體長，擁有兩種爬行模式單向振蕩爬行和行波蠕動爬行。
TriUnit震蕩與行波爬行機器人
▍攀爬機器人
攀爬是移動機器人的另一種不同尋常的運動能力，它們可以在各種3D表面上移動來執(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?；贑PAM和WPAM的攀爬機器人的運動基于釋放、收縮/伸展和擁抱的動作，其靈感來自猴子的手臂或腿部夾緊和釋放動作，分別如圖5所示。圖5c所示驅(qū)動序列同樣適用于WPAM攀爬機器人的向下攀爬，圖5d所示驅(qū)動序列同樣適用于CPAM攀爬機器人的向下攀爬。
此外，通過改變控制策略，可以實現(xiàn)更多的運動方式。如圖5g所示，具有軸向WPAMs的TriUnit在攀爬管柱時，還能以1.6°/s的速度實現(xiàn)順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。它的旋轉(zhuǎn)運動依賴于所有9個驅(qū)動器的獨立控制和它們的不對稱運動，這是受到猴子在橫向樹狀運動時肢體和脊柱的協(xié)作運動啟發(fā) (圖5h)。
圖5：攀爬機器人
▍吞咽機器人
吞咽是許多生物攝取食物的基本能力。機器人吞咽器可用于抓取和運輸物品。雖然已有一些關(guān)于包覆抓取和內(nèi)穿運輸?shù)某錾芯砍晒?，目前還缺乏結(jié)合抓取和運輸?shù)耐萄?反芻多功能軟機器人。其他一些基于剛性結(jié)構(gòu)的吞咽機器人，由于剛性運動的限制，機器人的適應(yīng)性和多功能性較為受限。
在這項工作中，基于TriUnits的吞咽機器人能夠用于包覆抓取和內(nèi)穿運輸。本研究中的機器人吞咽機器人不僅可以實現(xiàn)吞咽和儲存，還可以實現(xiàn)類動物的反芻和內(nèi)部物質(zhì)運輸。為了更好的可視化，我們將三個TriUnit堆疊在一起，形成一個垂直的機器人吞咽器，其中兩個TriUnit，一個基于WPAMs和CPAMs，另一個TriUnit則完全基于WPAMs。如圖6a為一個直徑120毫米、重89克的3D打印球被機器人吞下。吞咽運動受蛇吞咽的啟發(fā)，是通過截面和軸向PAM的不斷擠壓和推動來實現(xiàn)的，由1-6組氣動肌肉的連續(xù)膨脹和收縮來實現(xiàn)的，如圖6所示。
圖6：吞咽機器人
吞咽與反芻機器人
▍滾動機器人
滾動是動物中罕見的運動能力，理論上可將多個全向彎曲單元 (如TriUnits) 堆疊用于垂直滾動步態(tài)。但假如只有一個單元，滾動將變得更具挑戰(zhàn)性，因為機器人需要大幅改變重心。為了實現(xiàn)這一目標，本研究在設(shè)計中采用了初始二維驅(qū)動器網(wǎng)格的橫向疊加，而不是軸向疊加。首先，測試了基于四邊形單元的NRS單元 (簡稱QuadUnit)。QuadUnit具有一個形狀自由度，重心的變化范圍可以滿足滾動的要求。但是它的對稱結(jié)構(gòu)使得滾動行為更加隨機，這限制了滾動的可控性，使得它只適用于動態(tài)滾動[而不是靜態(tài)滾動。
本研究采用基于NRS單元的五邊形單元 (簡稱PenUnit) 進行機器人滾動，該單元具有兩個形狀自由度，結(jié)構(gòu)更復雜，但具有更高的可控性。PenUnit實現(xiàn)了速度為0.28 BL/s的靜態(tài)穩(wěn)定滾動，如圖所示，其中使用了5組“截面”CPAM。滾動運動受到輪蜘蛛的啟發(fā)，依賴于截面輪廓的變換，通過5組CPAM按順序充放氣來控制剛度的順序變化來實現(xiàn)，如圖7所示。
圖7：滾動機器人
PenUnit滾動機器人
▍多冗余與吞咽柔性臂機器人
受到象鼻的靈巧操作能力和蛇的吞咽能力的啟發(fā)，本文將四個基于CPAMs的TriUnits (以實現(xiàn)足夠大的彎曲角度范圍和負載承載能力) 和三個基于WPAMs的TriUnits (以實現(xiàn)良好的吞咽和抓取) 堆疊為一個多功能柔性臂。其具有較高的操作靈活性，并具有28個自由度 (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現(xiàn)簡單的多自由度操作運動 (圖8a和圖8b)，還可以實現(xiàn)抓取、搬運、吞咽、儲存等多模式操作，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吞咽、運輸和儲存物質(zhì)。例如，吞下一個橢球 (125g，130mm×180mm)，并運輸儲存到體內(nèi)后，繼續(xù)抓去另一個球體 (89g，直徑120mm) 并吞下 (圖8)。
圖8：多冗余與吞咽柔性臂機器人
多冗余與吞咽柔性臂機器人
▍全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移
并且我們將TriUnit爬管機器人應(yīng)用于全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移，以驗證機器人對不同任務(wù)的適應(yīng)性。NRS堆疊驅(qū)動軟機器人在現(xiàn)有的堆疊式軟機器人中表現(xiàn)出最佳的綜合性能，代表了一種新的、有效的方法，以經(jīng)濟有效的方式構(gòu)建多功能和多模態(tài)軟機器人，如圖9。
圖9：全景拍攝和貨物轉(zhuǎn)移
全景拍攝機器人
載荷轉(zhuǎn)運機器人
來源：機器人大講堂
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