机器人杂志

机器人杂志2024年第2期

• 基于柔性光波导的水下本体感知软体执行器

  莫礼燕, 张道辉, 傅昕, 赵新刚

  水下软体执行器在水下生物采样、文物打捞等作业任务中发挥着重要作用，但其本体感知能力不足。传统的水下感知模块存在易受环境温度影响、抗干扰能力弱、体积大和硬度大等缺点，不适用于软体执行器。为了解决这个问题，本文基于一种对温度和电磁干扰不敏感、响应速度较快、线性度较高的柔性光波导传感器来实现一种波纹管结构软体执行器的本体感知功能。首先，在实验室浅水环境中测试了软体执行器检测物体基本物理属性（表面纹理和硬度）的能力；其次，在实验室模拟静水高压环境中（0~30 MPa）初步验证该软体执行器在水下3000 m典型作业场景应用的可行性。实验结果证明：在浅水环境中，软体执行器可在驱动压力40 kPa下感知幅值为1 mm的锯齿波纹表面；当驱动压力大于30 kPa时，软体执行器可以明显辨别出本体弯曲状态以及3种不同硬度的物体；在静水压0~30 MPa下，柔性光波导传感器可以很好地表征软体执行器的不同弯曲状态；当水压增大时，传感器的迟滞性增大，灵敏度降低。以上实验结果表明基于柔性光波导的本体感知软体执行器具备水下原位感知的功能，且在等效水下3000 m作业范围内仍具有较好的感知性能。

• 仿水蛭蠕动爬行软体机器人设计

  李恭新, 王民栋, 朱亚洲, 刘娜, 栾小丽, 刘飞

  为了寻求一种无损和对患者友好的肠道检查方法，提出并设计了一种仿水蛭的软体机器人。该仿水蛭软体机器人由2个以双层结构为“脚”的吸附驱动器和以自束缚多腔室为本体的伸缩驱动器组成，通过控制2个吸附驱动器的交替运动和伸缩驱动器的配合运动实现蠕动爬行。结合实际实验和数值仿真验证了吸附驱动器的吸附特性和伸缩驱动器的调节机理，并分别通过软体机器人在平面、斜坡和类肠道等环境的实验进一步验证了机器人的运动性能。吸附驱动器最大吸附力可达3.05 N，软体机器人运动速度可达5 mm/s，验证了该机器人可以在类肠道的环境中实现无损和可控的运行。这项工作有望为肠道疾病的检查和治疗应用提供无损和对患者友好的新方法。

• 仿生柔性外肢体机器人的优化设计与实现

  徐嘉骏, 张添一, 黄恺真, 曹凯, 吉爱红, 徐林森

  纤维增强型驱动器（FRA）受到了章鱼触手多肌纤维生物学特性的启发，有望用于外肢体机器人（SRL）完成多样化的运动。本文首先介绍了FRA实现伸长、膨胀、弯曲、扭转变形的驱动原理，阐述了FRA的制备流程，并在此基础上提出了采用FRA的柔性外肢体机器人的设计与实现方法。通过建立FRA的分析模型，揭示了驱动器在不同变形模态下其构形参数与输入气压对变形量的影响规律，并通过有限元仿真加以验证。此外，还提出了柔性外肢体机器人轨迹优化算法，通过构建多目标优化函数并基于置信域方法优化各FRA的设计参数，协助穿戴者完成规定任务。通过样机试验测试了本文的外肢体机器人的系统性能，该外肢体机器人可以有效提升穿戴舒适性，实现3维空间中的灵活运动。研究结果表明，采用FRA的柔性外肢体机器人在穿戴舒适性、动作多样性、控制精准性等方面优于现有的柔性外肢体机器人。

• 软体技术在机器人化制造中的应用与展望

  蒲萌浩, 徐富康, 柴治平, 夏志生, 丁汉, 吴志刚

  当前，传统的制造方案已无法满足日益严苛的大型工件制造需求，机器人化制造方案成为解决问题的关键，但目前还存在诸多局限，例如：结构复杂、适形性低、容易对工件造成破坏、加工－检测一体化难等问题。针对上述问题，提出了将软体技术与机器人化制造系统融合的思路，在机器人化加工、检测和装配3个场景中引入软体变刚度技术、柔性传感技术和软体夹持器技术，赋予机器人化系统轻量化、顺应化、无损化、无感化、集成化等优点，为机器人化制造提供全新的解决方案。并且，针对机器人化制造未来的发展趋势，分析了软体技术巨大的应用潜力，进一步推动机器人化制造向着共融机器人方向深入发展。

• 软体机器人离子/电响应驱动材料与结构进展

  吴佳祥, 邱林涛, 王吕婷, 赵雨开, 张凯航, 石烨, 杨栩旭, 李铁风

  介电弹性体和水凝胶这些软材料具有特殊的物理和化学特性，能够对外界刺激做出良好响应，使其成为新型软驱动器、可穿戴设备、医疗保健设备和人机交互机器人的重要组成部分。本文首先探讨了电子型电活性聚合物（介电弹性体材料）的应用前景和改良路径。讨论了硅橡胶类、聚氨酯类和丙烯酸酯类介电弹性体的性能和优缺点，阐述了该类材料在人工肌肉中的应用前景及局限性。进而提出了利用瓶刷式介电弹性体（BBE）以及互穿型网络结构（IPN）改良材料性能等解决方案。其次，介绍了电磁响应型、渗透压响应型以及光响应型水凝胶驱动器，并对其各自的工作原理和应用进行了全面的阐述。最后，总结了介电弹性体和水凝胶两类驱动材料与结构对软体机器人性能的影响，展示了这两大类驱动器在软体机器人、人工肌肉和智能传感器等领域的应用可能性，并提出了未来的一些研究方向。

• 基于柔性传感的软体机器人交互研究进展

  刘文博, 王韫, 朵有宁, 段金曦, 陈星雨, 李磊, 刘昱辰, 文力

  本文旨在总结基于柔性传感的软体机器人交互研究进展。首先介绍了软体机器人在柔性抓取、生物医疗以及环境探索等实际应用领域的最新研究进展。其次介绍了软体机器人运动学和动力学建模方法。接着分析了适用于软体机器人的柔性传感技术，重点讨论了柔性多模态感知技术。然后阐述了软体机器人传感与智能交互技术的研究现状，利用柔性传感器实现软体机器人本体感知、环境感知以及多模态感知，着重分析了基于柔性传感器的软体机器人智能交互系统。最后，对基于柔性传感的软体机器人交互研究所面临的潜在挑战与可能的发展方向进行了分析与展望。

• 软体机器人拓扑优化设计研究进展

  罗凯, 李德臣, 陈世通, 陈飞飞

  软体机器人在非结构化环境作业任务中极具潜力，但其驱动－结构一体化特性令结构设计问题颇具挑战性。相较于经验设计和仿生设计思路，拓扑优化方法从数学上实现了结构严密演化，可为设计问题提供新思路。本文聚焦于软体机器人拓扑优化设计的研究进展。首先，对软体机器人的变形行为与力交互特性两类基本设计问题进行简要描述，进而阐述拓扑优化思想以及主要的拓扑优化方法，然后列举各类软体驱动器的典型设计案例，最后系统概述软体机器人拓扑优化设计中存在的挑战与技术难点。

• 软体机器人建模与控制技术研究进展

  梅栋, 赵鑫, 唐刚强, 赵春, 李博, 骆敏舟, 王延杰

  由于软体机器人具有超高冗余、大变形以及非线性等特点，如何精准控制软体机器人实现预期目标的抓取和操作，一直以来都是研究人员广泛关注的问题。本文根据是否建立机器人数学模型、是否采用传感器反馈以及采用何种控制算法将现有软体机器人控制技术划分为基于模型的控制与无模型控制、开环控制与闭环控制、经典控制与智能控制3个类别，分别阐述软体机器人在建模、反馈以及控制算法方面的研究现状并进行归纳总结。最后，讨论了软体机器人控制技术面临的问题和挑战，并对未来软体机器人控制技术的发展进行了展望。