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软体机器人研究现状及应用前景

2022/11/4    来源:《中国科技信息》杂志    作者:王宇      
关键字:软体机器人  研究现状  应用前景  
软体机器人在未来很长的一段时间里都将会成为机器人领域的研究热点。本文将对当今软体机器人的研究现状和应用前景进行一定程度上的讨论。
       传统的机器人大多为刚性结构,这种结构的机器人具有刚度好,稳定性强,可靠性高等优点。今天的刚性机器人技术已经较为成熟,刚性机器已经广泛应用于多种行业,在工业中的焊接机器人,装配机器人,在物流行业中的物料搬运机器人,在农业中的播种收割机器人等都属于刚性机器人。虽然刚性机器人已经成功的应用在多种行业,但是它也存在着许多的缺点和局限性,刚性机器人一般结构较为复杂,并且灵活性有限,一般不会超过六个自由度,其使用的舒适性,安全性也比较差,在医疗手术领域,复杂脆软物体的搬运,狭窄空间内的操作等方面有着较大的局限性。
       近年来软体机器人成为机器人研究领域的热门,由于软体材料的自由度可以根据需求自由变化,因此软体机器人有着极高的灵活性,并且软体机器人因其材料的柔软性有着很好的人机交互性能和安全性,在生物工程,救灾救援,医疗领域有着很大的应用前景。
       对于软体机器人的研究我国和日本起步较早。1989年,日本冈山大学的软体机器人实验室就制造了一种小型软体机械手,这可以说是世界上第一款软体机器人。该机器人的主要构成材料是硅胶,采用成型模具浇筑的方法制成,其动力来源是利用气体压缩产生的力,具有七个自由度。该型机器人具有革命性的一点是其可以完成易碎物品的基本夹取的动作。该型机器人采用硅胶材料和气动动力源第一次真正意义上地解决了易碎物品的夹取。
        我国最早的软体机器人研究也起步于20世纪90年代,由上海交通大学的马建旭团队提出。该型软体机器人运用了仿生学,模仿了蚯蚓的蠕动过程。该型机器人被设计用来探测狭窄的管道,它的主要材料是记忆金属,通过记忆金属形状的不断变化来作为机器人的动力源,带动机器人向前运动。该型机器人是我国最早的一批软体机器人研究成果,对我国软体机器人的后续发展有着重要的意义。
       现如今,许多国家在软体机器人的研究领域都取得了一定的成果。软体机器人在未来很长的一段时间里都将会成为机器人领域的研究热点。本文将会对当今软体机器人的研究现状和应用前景进行一定程度上的讨论。
    1.制造软体机器人应用的材料
        软体机器人,顾名思义其构成材料必然是柔软的。正是得益于其柔软的材料,软体机器人才能拥有极高的自由度和良好的人机交互性。除了柔软性,软体机器人的制造材料还应该具有良好的可塑性和较高的弹性。
        目前主要使用塑料、高弹性材料构成的颗粒或织物制造软体机器人,硅胶材料比较符合上述特点。因此目前主要采用硅胶材料制作软体机器人。但所采用的硅胶并不是我们日常生活中的普通硅胶。制作软体机器人所采用的硅胶大多为专门生产的特种硅胶。这种硅胶相对于市面上的普通硅胶有着更好的性能。例如德国Waker公司生产的Elastosil M4601 A/B型硅橡胶,该型硅胶就是应用于软体机器人制造的特种硅胶,该型硅胶有着超强的弹性,当其受到拉力时,该型硅胶可以伸长至原长度的数倍,当撤除拉力时,该型硅胶又可以恢复为原状,根据Waker公司公布的数据,该型硅胶的断裂伸长率高达700%。
       除了硅胶这种传统的制作材料,为了追求更好的性能,研究人员也在积极地改进现有的材料和开发一些新型材料,如现在比较热门的水凝胶材料。美国布朗大学的博士生Thomas Valentin及其团队研制的一种新型水凝胶,该型水溶胶可以模仿生命系统中的流体传动。与3D打印技术相结合后可以让科研人员像拼接乐高积木一样制造仿生机器人。
    2.制造软体机器人的方法
       机器人的主要加工方法有3D打印法,激光雕刻法,铸造法和沉积法等。其中铸造法是目前较为常用的加工方法。使用铸造法制作软体机器人第一步需要是制造模具,第二步将材料倒入模具中,第三步等待材料冷却后进行脱模,将材料取出。铸造法适用与大量生产且成本相对较低因此是目前比较常用的方法。
3D打印图片
图1 铸造法流程图
       随着3D打印技术的发展,应用3D打印法制造的软体机器人的性能也越来越好,3D打印法很可能是未来制造软体机器人的主要方法,3D打印法几乎可以用任意材料制造出任意形状的软体机器人,并且不需要人全程参与,自动化程度高。如今的3D打印技术也可以做到较高的精确度,因此3D打印法制造出的软体机器人有着更好的性能,更强大的功能和更高的可靠性。目前还没有解决的就是生产效率的问题,我相信在不久的将来,3D打印技术效率较低的问题也会被解决。
3D打印图片
 
图2 3D打印图片
    3.软体机器人的动力装置
       动力装置对软体机器人性能的影响仅次于软体机器人的组成材料,其也是软体机器人研发过程中的一项难题。由于软体机器人的结构很软,所以适用于传统刚性机器人上的驱动方式,在软体机器人上并不适用,因此科研人员需要研发新的适用于软体机器人的驱动方式。目前软体机器人的主要驱动方式有线缆驱动,气动驱动,形状记忆合金驱动和化学驱动。
       线缆驱动模仿了人类手指的动作原理,用电机代替肌肉,用线缆代替筋,两者相互配合完成对机器人的驱动动作。目前已有软体机器人采用了这种驱动方式,不过该型驱动方式结构复杂,体积较大,难以进行小型化处理。对于要求精密的软体机器人来说不是一种很好的驱动方式。
       气动驱动因其较小的体积和重量,较低的成本,且对环境没有污染,是软体机器人比较常用的一种驱动方式。气动驱动可以分为正压式驱动和负压式驱动两种类型,正压式驱动是通过气体冲入气囊的膨胀力驱动软体机器人,负压式驱动是通过吸出气囊内的气体产生的收缩力驱动软体机器人。气动驱动目前仍存在着一些问题,如需要保证整个系统严格的气密性,并且需要连接外部管路和空气压缩机这使得机器人行动不便,而且操作不当易造成管路破裂进而威胁到操作者的安全。气动驱动方式虽然得到了广泛的应用,但还是需要进一步的优化。
       形状记忆合金驱动是利用形状记忆合金的形状会随温度变化而变化的特性来驱动软体机器人的一种驱动方式。这种合金对温度十分敏感,在不同的温度下可以变换不同的形状。该种驱动方式的体积和质量都十分小,容易集成在软体机器人上,容易实现微型化。正是由于这些优点,使得该种驱动方式受到大量科研人员的青睐,也是现在软体机器人研究领域的一个热点。
       化学驱动是利用化学反应产生的能量来驱动软体机器人。化学驱动的体积和质量相较于形状记忆合金驱动更小,更容易实现微型化,因此其大多应用于微小型软体机器人。但是由于化学反应的不可控因素过多,因此该种驱动方式稳定性不强,同时该种驱动方式还存在着动力不足,动力不稳定的缺点,因此该种驱动方式应用的并不广泛。
     4. 软体机器人的前沿研究成果
       来自美国哈佛大学的Michael Wehner带领团队研制了一款新型的软体机器人,该型机器人的外观是一只章鱼,整个机器人全部由软体材料制成,可以自行进行移动。其无需电力驱动,而是采用了比较前沿的化学驱动。该型机器人利用催化过氧化氢释放的氧气作为动力源,其将反应产生的氧气存在体内形成压力能,然后通过控制章鱼足内部的微小阀门,控制章鱼足内部的进气量,从而控制章鱼足的伸展和收缩,达到驱动机器人向前运动的目的。该型机器人完全实现了化学驱动,并且是一款全软体机器人,对软体机器人的发展起到了推进性的作用。
Octobot机器人
图3 Octobot机器人
 
        中国科学技术大学的陈小平教授率领团队研制了全球首款交互型软体机器人,其整体结构模仿了大象的鼻子。该机器人的主要结构由蜂巢结构、气囊系统和驱动系统三个部分组成。该机器人可以像象鼻一样灵活的运动,可以轻易完成开门,开抽屉,擦玻璃等动作,其甚至可以轻松打开一瓶矿泉水。同时该型机器人创新性地采用了蜂巢结构,这种巧妙的设计使得该型机器人在兼顾柔软的同时还有着足够的强度,这样的结构使得该型软体机器人相对于普通软体机器人有着更高的承载能力和抗扭转能力。同时该型机器人的控制方式也很有革命性,由于软体结构有着近乎无限的自由度,因此要实现对它的完全控制是十分困难的。
       陈小平团队通过向蜂巢结构内安装可控气囊巧妙地解决了这一问题。当向该款机器人的一侧气囊进行充气时,该侧的气囊会膨胀从而带动该侧结构伸长,与此同时由于该机器人由硅胶材料制成,所以机器人的另外一侧不会产生过大的变形,这样就实现了机器人的弯曲动作。此外,如果给机器人所有气囊同时充气或同时放气,软体机器人便会伸长或缩短,不同气囊之间相互配合,便可以使该型机器人完成多种动作。该型软体机器人其创新性的蜂巢结构和气囊控制方式为软体机器人的研究开辟了新的方向,同时该型机器人的研制成功也标志着我国的软体机器人研究走在了世界前列。
象鼻软体机器人
 
图4 象鼻软体机器人
    5.总结与展望
       软体机器人的研究是目前机器人研究领域的热点,它的出现成功解决了传统的刚性机器人人机交互性不足,适用范围窄的问题。同时软体机器人还可以完成一些非规律型的工作,这一点传统的刚性机器人是无论如何也无法做到的。也正是因为这一点,软体机器人可以完成一些更为复杂的工作,在医疗领域,军事领域,救灾救援领域,生物医药领域以及家庭服务领域有着广阔的应用前景。随着新型材料的研发以及加工方法的升级,软体机器人的性能将会越来越好,将来也会承担越来越复杂的工作,相信在不久的将来,我们的生活中将会随处可以见到软体机器人工作的身影。
       作者:王宇,男,佳木斯大学机械工程学院机械电子工程专业
       来源:《中国科技信息》2022年第10期
责任编辑:杨培
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