软体机器人研究综述

机器人技术广泛应用于工业生产、医疗服务、勘探勘测、生物工程、救灾救援等领域.传统机器人大都由刚性机构组成,存在环境适应能力低的缺点.软体机器人是一类新型仿生连续体机器人,可以任意改变自身形状,在非结构化环境中应用前景广阔.综述了软体机器人的仿生机理、驱动方式、建模与控制方法等关键问题,并通过分析和梳理软体机器人技术发展中的瓶颈问题及可行解决方案,探讨了软体机器人技术的发展趋势.     

一种可变直径软体机器人的设计

为了解决刚性机械手安全性低、适应性差的问题,设计一款具有抓取功能的软体机器人。该软体机器人由三个呈圆周 120°分布的软体驱动器和一个夹具组成,夹具可以实现自动化改变直径以适应不同大小物体的抓取,经测算软体机器人可以抓取直径范围为 45mm~97mm 的物体。夹具和软体驱动器都采用3D打印制造,具有成本低、制造简单、易于大规模生产的优点。软体机器人采用气压驱动,当给驱动器充气时,三手指同时弯曲抓取物体,具有很好的稳定性。对于软体驱动器建立了相应的力学模型,得到了弯曲角度与输入气压的关系,并利用ABAQUS 有限元仿真软件对驱动器弯曲特性进行仿真。对比发现,理论建模和仿真分析在驱动器弯曲角度具有很高的吻合性。     

水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展

 随着水下作业要求的增加以及软体机器人技术的发展,水下软体机器人的研究成为水下机器人的一个前沿方向。用人工肌肉实现驱动控制并能实现仿生运动的水下软体机器人成为相关领域的研究热点。本文介绍现有水下软体机器人中7类人工肌肉驱动方式,再根据水下软体机器人推进形式,按5种仿生运动形式介绍了现有的水下软体机器人,最后展望了水下软体机器人未来在水下勘探的应用前景。     

多气囊仿生软体机器人设计及其运动特性分析

设计了一种多气囊仿生软体机器人,由位于上方的多个相互连通的气囊和位于下方的双层底座组成,通过给气囊充气以使软体机器人产生弯曲,通过在软体机器人前、后表面设置不同的摩擦片,机器人能够利用前、后摩擦力的不同而得以前行;利用ANSYS软件分析软体机器人充气、放气过程中的内应力,以改善机器人的结构设计;采用Yeoh模型研究软体机器人运动过程中的力学特性,在理想条件下推导出软体机器人的前行步幅与气囊内部气体压力的非线性关系模型,并通过仿生软体机器人的充气和前行运动实验验证仿生软体机器人前行运动的可行性.结果表明,当充气压力为90kPa时,机器人前进的步幅为19.25mm,与其理论值(22.85mm)基本一致.     

软体机器人研究进展

软体机器人是由柔性材料加工而成的,可以任意改变自身尺寸,与刚性机器人相比具有高顺应性、适应性和安全性等特点,在工业、农业、医疗、救灾等领域都有广阔的应用前景,受到国内外学者的青睐。文中从制作材料、制作方法、驱动方式、应用领域、传感与控制方面对软体机器人进行综述,介绍了软体机器人的制作材料和柔性材料的新成果,以及近年来制作软体机器人较新的方法;按照驱动方式将软体机器人分为流体驱动、智能材料驱动、化学反应驱动,并对每种驱动方式的特点和典型结构进行了总结;对软体机器人的建模方法和控制策略进行归纳与分析,得出了开发刚柔并济的新材料、高效制造和精准控制是研究软体机器人的未来方向。     

软体机器人驱动方式

<正>选择合适的驱动方式是软体机器人研究中的一项重要课题。因其材质与结构的特殊性,软体机器人对驱动方式的选择也有着更高的要求。流体驱动:利用气、液等流体,通过其变形结构使软体机器人内部腔体收缩、膨胀,达到受控变形和运动的目标。美国哈佛大学仿生机器人实验室研发的软体机器人Octobot是世界上首个全软体机器人,其基体由3D打印技术制造而成,采用气动驱动的方式,通过化学反应产生大量气体,借助压强变化实现爬、游泳等基本活动并与外界环     

软体机器人前沿技术及应用热点

 随着材料学、化学、控制等学科的不断突破,人们对章鱼、蠕虫、海星等软体生物的观察及建模有了突破性进展,并衍生出一门新的机器人研究方向--软体机器人。本文通过回溯软体机器人的发展历程,介绍了近年来软体机器人在材料类型、驱动方式、应用领域等方面取得的进展以及面临的挑战,并结合中国国情展望了软体机器人未来发展的前景与方向。     

"浙产"仿生深海软体机器人登上《自然》封面

3月4日,国际顶级期刊《自然》杂志在封面刊发之江实验室与浙江大学合作的研究成果——无需耐压外壳,便能承受万米级别深海静水压力的仿生深海软体机器人,研究团队在全球率先实现了软体机器人的万米深海操控及深海自主游动实验,将为深海探索科考、环境监测与资源勘探提供解决方案.     

多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人

针对现在手部功能康复机器人存在的不足,如刚性结构带来的机构复杂、质量大,运动过程中难以保证刚性连杆的转动中心与关节中心时刻对准而带来的安全问题,以及软体气动-液压结构存在的气压源-液压源体积质量大导致的便携性差等问题,提出了一种新型的由单层弹簧片驱动的多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人,以协助患者进行双向的屈曲、伸展运动。该结构具有良好的柔顺性,使得人手与外骨骼机器人之间的相互作用更加安全,设计的机构可以将线性运动转化为手指关节的旋转运动,通过单个电机输入即可协助患者在足够大的运动范围内进行康复训练。对该外骨骼机器人的特性测量实验表明,该外骨骼可以协助患者在一定角度范围内进行手指的屈曲和伸展运动,并能够在指尖产生足够的指尖力。提出的设计对其他的康复机器人有一定的参考作用,具备工程使用价值。     

机器人软体材料研究进展

 机器人软体材料分为软体驱动材料和软体感知材料,在仿生机器人中分别起到效应器与感受器的作用。故在制造仿生机器人时,软体材料的开发越发重要。本文概述了机器人软体材料与软体机器人概念上的差异,按照软体驱动材料和软体感知材料分别综述了机器人软体材料的发展动态,并探讨了这两类重要的机器人软体材料研发方面挑战及趋势。     

基于单向气动驱动器的软体手变形机理

针对软体气动驱动器的变形机理,以气动驱动软体手为研究对象,开展了基于单向气动驱动器的软体手指弯曲和摆动机理的研究。设计了气动驱动软体手,其弯曲和摆动结构均由多个相互连通的气室和一个不可延伸层组成。当相邻气室因充气膨胀而相互挤压时,气室受到不可延伸层的约束,实现了弯曲和摆动变形。为进一步考察软体手的变形机理,对620#T超弹性硅橡胶材料的非线性力学特性进行了研究,测定了其材料常系数。基于Yeoh模型密度函数,结合空间力矩平衡方程,建立了驱动压强和曲率半径的理论模型,并开展了软体手指弯曲及摆动变形的仿真研究,结果证明了理论模型的正确性。研究结果可以为其他基于气动驱动的软体结构变形机理研究提供理论基础。     

用于手部康复的热塑性聚氨酯软体驱动器研究

针对软体康复训练手套制作流程复杂和辅助力低等问题，文章基于热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane, TPU),借助3D打印技术，研制具有单、双向软关节的分段式气动软体驱动器。通过有限元软件建立TPU材料超弹性本构模型，仿真分析软体驱动器弯曲特性，试验测试研究软体驱动器弯曲角度、运动轨迹和握力，结果表明，软关节特性满足人手关节最大弯曲角度120°需求，软体驱动器弯曲状态与人手运动轨迹相符，最高握力达11.5 N。直接3D打印的软体驱动器制作简单，辅助力强，满足手指康复训练需求，为手功能损伤患者提供一种更加安全有效的康复训练设备。     

面向沙土环境的仿生软体机器人及交互力学模型

现有的沙土移动机器人大多采用刚性结构, 在复杂的工作环境中 常常会发生打滑、沉陷、翻倒等问题, 缺乏良好的环境适应能力. 针对该问题设计了一种面向沙土环境的仿弹涂鱼气动软体机器人; 基于地面力学理论和软体机器人建模方法, 考虑机器人在沙土环境下的约束条件, 通过对软肢体与沙土间力学交互特性的分析, 建立了软肢体/机器人-沙土交互力学模型, 并构建了输入气压与机器人运动特性的关联; 通过实验验证了软体机器人-沙土交互力学模型的有效性和准确性. 实验结果表明, 该软体机器人具有环境适应性强、控制简单、柔顺性高等优点.     

无环境阻力的尖端生长型软体机器人研究综述

尖端生长型软体机器人是一类新型的软体机器人,其制作简单、成本低,通过压力驱动主体外翻实现机器人的"生长",且具有运动过程中无环境阻力的独特优势,在诸多领域有着广阔的应用前景.目前,机器人的变刚度控制、大范围变形检测及精准控制是软体机器人存在的三个主要问题.围绕提出的软体机器人存在的三个主要问题,从机器人灵感来源、基本结...     

欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

晶格型模块化软体机器人自重构序列

设计了一种基于膨胀-收缩运动规则的晶格型自重构模块化软体机器人.机器人由多个软体模块组成,每个软体模块由呈正六面体构型的硅胶主体和主从对接面组成.软体模块内部的凸起设计使其具有良好的膨胀性能,主从对接面是由与硅胶主体螺纹连接的铁盘、吸盘式电磁铁组成.基于软体模块体积变化与内部压强的关系式,对软体模块的充气膨胀进行分析,...     

基于ARM和FPGA的软体机器人的CAN总线运动控制器的设计

针对在软体机器人控制时,多电机协同控制过程中难度大、通用性差、协同性差等缺点,设计了基于ARM[adanced RISC(reduced instruction set computing) machines]和FPGA(field-programmable gate array)的软体机器人的控制器局域网络(controller area network,CAN)总线运动控制器,采用ARMCortex-M4为内核的STM32F407开发板和AX7102 FPGA开发板设计一种基于CAN总线的软体机器人运动控制器,主要包括该系统的体系架构、硬件设计和软件设计等。该控制器利用STM32作为控制核心和FPGA的高速处理能力来实现控制算法的运算,并用CAN总线技术来实现与上位机通信。经过试验操作,该控制器可以满足预定要求。     

仿青蛙游动软体机器人控制系统设计

控制系统是机器人实现运动的关键.通过对所设计的由气动软体致动器驱动的仿青蛙游动软体机器人的机械结构和其仿生游动功能需求的分析,建立气动系统和电气系统,并通过Labview编写上位机软件,采用无线通讯的方式实现对仿青蛙游动软体机器人的远程调控以及数据采集,避免外接线束和管路对仿青蛙游动软体机器人运动的干扰,方便对仿青蛙游动软体机器人运动性能进行测试.经过实验验证,所设计的控制系统性能稳定、工作可靠,完全满足仿青蛙游动软体机器人的功能需求.     

哈佛科学家研究可变形机器人轻松穿越狭小空间

哈佛大学的科学家近日研发了一款可变形的灵活机器人,它能通过紧密的关节空隙扭动,这是目前软体机器人领域最先进的机器人模型。这款软体机器人灵感来自鱿鱼和海星,这两者能够改变身体形状移动,能对地震灾难起到非常大的作用,可穿越狭小缝隙展开营救工作。     

封面图片说明:软体机器人驱动方式

 选择合适的驱动方式是软体机器人研究中的一项重要课题。因其材质与结构的特殊性,软体机器人对驱动方式的选择也有着更高的要求。