尤小丹 宋小波 陳 峰

（南通大學電氣工程學院1，江蘇 南通 226019；常州先進制造技術研究所2，江蘇 常州 213164）

軟體機器人的分類與加工制造研究

尤小丹1，2宋小波2陳 峰1

（南通大學電氣工程學院1，江蘇 南通 226019；常州先進制造技術研究所2，江蘇 常州 213164）

對軟體機器人的分類和加工制造等問題進行了調查研究。軟體機器人可以分為有纜驅動式軟體機器人和無纜驅動式軟體機器人，其采用電活性聚合物、聚合凝膠等作為致動器。軟體機器人的制造包括柔軟本體制造、柔性致動器制造和可伸展電子電路制造，采用了形狀沉積法、智能微結構等新型制造方法。軟體機器人是仿生機器人研究的延續(xù)，也是一種新興的機器人，對它的研究才剛剛起步，在未來的研究中將面臨更多的挑戰(zhàn)。

軟體機器人 仿生機器人 驅動方式 電活性聚合物 智能材料

0 引言

傳統(tǒng)機器人的剛性結構限制了其與環(huán)境相互作用的能力。如傳統(tǒng)的機器人使用剛性連接，并采用末端執(zhí)行器操作對象，其通常分量重且昂貴，能執(zhí)行的動作類型有限，在非結構化和高度擁擠的環(huán)境中常會遇到困難。然而各種動植物在復雜的運動中卻表現(xiàn)出了其柔性結構。如章魚觸手和大象的鼻子，它們的肌肉結構屬于典型的肌肉性靜水骨骼結構，通過加壓滲透可以改變其形狀。研究人員根據生物學特征而設計和構建的軟體機器人，可在混亂或者非結構化的環(huán)境中，利用其軟結構和冗余自由度來完成微妙的工作。

近年來，隨著仿生技術的快速發(fā)展，越來越多的研究人員開始關注仿生軟體機器人的研究。該機器人具有傳統(tǒng)機器人所無法媲美的柔軟性能，能夠根據環(huán)境狀況而靈活改變自身形狀，對工作空間狹小及非結構化環(huán)境具有獨特的適應能力，這使得軟體機器人的應用極為廣泛。

本文將對軟體機器人的一些現(xiàn)狀進行分析并指出未來發(fā)展的趨勢。

1 軟體機器人分類

仿生軟體機器人主要由彈性基礎材料構成，依靠自身形狀在空間上的連續(xù)變化來實現(xiàn)運動，理論上具有無限多自由度［1］。軟體機器人分類情況說明如下。

①根據用途的不同，可以將軟體機器人分為：工業(yè)機器人、特種機器人或者是陸地機器人、水下機器人和地外探險機器人。

②根據驅動方式的不同，可以將軟體機器人分為：物理驅動式軟體機器人和化學驅動式軟體機器人。

③根據結構類型的不同，可以將軟體機器人分為：靜水骨骼結構軟體機器人、肌肉性靜水骨骼結構軟體機器人以及其他結構軟體機器人。

④根據受控方式的不同，可以將軟體機器人分為：點位控制型軟體機器人和連續(xù)控制型機器人。

⑤根據能量供給方式的不同，可以將當前的軟體機器人分為：有纜驅動和無纜驅動式軟體機器人。有纜驅動式軟體機器人和無纜驅動式軟體機器人特性比較如表1所示。

下面著重介紹有纜驅動式軟體機器人和無纜驅動式軟體機器人。

表1 有纜和無纜驅動式軟體機器人特性比較Tab.1 Com parison of the features of cable driven and w ireless driven soft robots

1.1 有纜驅動式軟體機器人

有纜驅動技術的優(yōu)點是能量供應方便而且充足，但對于應用在細小管道和狹小空間等特殊環(huán)境下的軟體機器人，如果采用有纜驅動式供能，會使得軟體機器人的靈活性、移動距離和行走路線受到限制［2］。

有纜驅動方式主要有氣/液壓驅動、人工肌肉驅動、形狀記憶合金驅動等。Steltz等［3］人研制了一種基于“堵塞”［4］原理的氣壓驅動式仿生球形機器人，它于智能機器人及智能系統(tǒng)2009年國際會議上第一次展出［5－6］。該機器人內部分若干獨立驅動單元，每個單元內都裝有空氣和微粒的混合物。機器人內部是不可壓縮的流體，中心為單個氣囊構成的致動器，它通過氣壓驅動獨立單元膨脹或收縮的交替變化，促使機器人一漲一縮向前移動。

Kimura等［7］人研制了仿變形蟲機器人，該機器人主要包括流體腔室和壓力管。其依靠氣壓驅動壓力軟管拉伸與收縮的交替變形，迫使相鄰的液體彈性腔室發(fā)生可控位移，實現(xiàn)機器人向前翻轉運動。目前，該機器人的滾動速度約為4mm/s。

美國東北大學海洋科學中心研制出鰻鱺模式游動的七鰓鰻仿生機器人［8］。該機器人由裝有電源、控制系統(tǒng)的樹脂玻璃絕緣罩和形狀記憶合金驅動的波動器組成，絕緣罩中裝有羅盤、測量擺動斜度的傾斜儀和聲吶。該機器人利用電流加熱的形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）作為致動器，繞軀體軸線有節(jié)奏地橫向波動，從頭部到尾部左右擺動的擺幅逐漸增加，波動從尾部到頭部反饋回來，從而推動其前進。該機器人結構簡單，游動時無噪聲，具有極佳的隱蔽性能。

美國哈佛大學的科學家們研制了一種新型軟體機器人［9］。該機器人采用軟光刻技術借助空氣前行，其四肢可以各自獨立操控，通過人工或計算機自動控制將壓縮空氣輸入其肢體內進行相應驅動。它能夠穿過距離地面不到1.9 cm的狹小縫隙，平均行進速度約6.67mm/s。

Kagawa大學的郭書祥等人研制出了一種利用電致動作原理的ICPF高分子聚合物材料作為驅動器的水下多自由度機器人［10］。該機器人由ICPF高分子聚合物材料組成三條步行足和兩條尾鰭。在ICPF驅動下，當三條步行足協(xié)調擺動時機器人移動更迅速，利用ICPF產生氣泡的特性，使機器人遇到障礙物時可以迅速上浮，從而達到蔽障的目的。ICPF驅動具有柔性好、驅動電壓低、響應快、可以在水下作業(yè)等優(yōu)點。

Walker與Jones研究小組研制了一種仿章魚觸手的機器人OctArm［11－13］。該機器人利用McKibben氣動人工肌肉作為驅動裝置。機器人總長為110 cm，在結構上分為4節(jié)，每節(jié)長度約為40 cm，每節(jié)由6段或者3段人工肌肉驅動，均具有2自由度的彎曲能力。整個機器人共具有12個自由度，最大運動速度可達0.8m/s。

Ravi Vaidyanathan等［14］人采用形狀記憶合金（SMA）研制了一種靜水海洋應用機器人。該機器人是模仿節(jié)狀蠕蟲設計的3節(jié)水下機器人。該設計使用SMA彈簧作為肌肉（力產生元件），使用乳膠膀胱作為靜水骨骼支撐（液壓元件），通過簡單的電阻電路實施四開關二進制控制器來控制3個分段機器人。該機器人以蠕動方式運動，最大移動步距為22mm，最大移動速度為6mm/s，最大轉角在18°～21°之間［14－16］。

1.2 無纜驅動式軟體機器人

無纜驅動方式軟體機器人通過空間各種“場”傳遞能量，大大增加了機器人的運動靈活性，能更好地滿足非結構化作業(yè)環(huán)境要求。這使軟體機器人應用于廢墟搜救、醫(yī)療診治和管道檢修等領域成為可能［17］。

李德勝等［18］人使用電場聚合物（EAP）作為驅動器，研制了一種龜狀軟體機器人，這種機器人的四肢全部采用離子導電聚合膜制成，可以爬行和游泳。Otake等［19－20］人采用EAP研制了一種仿海星軟體機器人。該機器人采用電活性聚合物凝膠制成。電活性聚合物系統(tǒng)包括聚合物和電極。機器人被置于4行4列的電極矩陣中，通過控制電壓使其產生不同的電場，從而使得機器人能夠改變形狀并進行移動或翻滾。

Hara等［21－23］人使用聚合物凝膠（polymer gel，PG）作為驅動器，研制了一種仿尺蠖機器人。該機器人是由凝膠制成的弧形帶狀結構，在特定環(huán)境下可通過凝膠的自激振蕩原理實現(xiàn)自主行走。

日本Eamex公司成功地用EAP制成了第一個商業(yè)化的機器魚。該機器魚長67 mm，內部裝有發(fā)電用的線圈和控制用的微計算機。把機器魚放入能產生電場的專用水槽中，從槽外通電，由于電磁感應現(xiàn)象，線圈自動發(fā)電。微計算機控制電流，激活EAP中的離子，實現(xiàn)機器魚的游動。

美國塔夫斯大學巴里-特里墨爾等人正在研制一種仿毛毛蟲軟體機器人［24］。該機器人利用電致伸縮化學材料作為驅動器，通過外置電場的調控，使其能主動變形擠入各種狹小空間，到達作業(yè)地點后自動進行生物降解。該機器人具有極強的柔韌性與延展性，不但能夠滲入直徑為1 cm的空間，而且能夠擴展至原有大小的10倍，并且最終通過生物降解化為無形［24－26］。但目前該仿生機器人的變形響應很慢，所以形狀也有所限制。

美國加利福尼亞大學研究人員研發(fā)了一款全新光控水凝膠軟體機器人［27］，該機器人使用的材料由合成物和含石墨烯的彈性蛋白組成。當材料冷卻時，合成的蛋白質能夠吸收水分，而變熱時又能夠將水分釋放出來。材料中的石墨烯薄片暴露于紅外光線時會產生高溫。當材料置于紅外光線下時，石墨烯薄片加熱周圍的蛋白質，使得材料多孔的一面比另一面更快速地釋放水分。該機器人通過凝膠的不均勻收縮，使其彎曲變形。

2 軟體機器人的制造

軟體機器人的制造與傳統(tǒng)機器人最大的不同就是使用柔性材料，其嵌入裝配也與傳統(tǒng)機器人不同，比如致動器、傳感器等部件不采用螺栓、螺母等鉸鏈方式，而是采用鑄造、層壓以及黏合等方法。軟體機器人的制造包括軟體機器人的外觀制造、柔性致動器的制造和可伸展電路的制造［28］。

軟體機器人外觀制造的主要制造方法有形狀沉積法（shape deposition manufacturing，SDM）、智能微結構合成法（smart composite microstructure，SCM）、嵌入成型法、軟材料沉積等。SDM方法在2000年第一次被斯坦福集團的馬克教授團隊應用于機器人零件的制造［29］。該方法的流程如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of SDM process

這一過程可以使得剛性材料和靈活性材料組合成一體，從而增強本體的魯棒性和可靠性。比如iSprawl［30－31］和Stickybot［32］這兩款機器人，在軟體復雜的部分均使用了形狀沉積方法（SDM），從而使得這兩款機器人擁有傳統(tǒng)機器人不可能擁有的特性。

SCM是一種能整合由碳纖維復合材料與聚合物薄膜制成的可彎曲關節(jié)的剛性連接的制造過程。該過程使用微激光器切割出復合平面聚合物薄膜需要的形狀，并且采用不同材料分層創(chuàng)建集成結構。這種制造過程特別適合中尺度機器人。SCM允許使用摩擦小、結構簡單的彎曲關節(jié)，這解決了傳統(tǒng)制造方法中對于旋轉接頭中存在的摩擦大的問題。

軟體機器人的致動器大多數都是采用電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金（SMA）和聚合凝膠（PG）。電活性聚合物（EAP）是一類在電場激勵下可以產生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，當外界電激勵撤銷后，它又能恢復到原始的形狀和體積［33］。EAP與傳統(tǒng)功能材料性能比較如表2所示［34］。由表2可知，與形狀記憶合金、壓電陶瓷等傳統(tǒng)功能材料相比，EAP具有變形大、響應迅速、功耗低、質量輕、柔韌性好等特性。

表2 EAP與傳統(tǒng)功能材料性能比較Tab.2 EAP com pared w ith traditional function material perform ance

目前，可伸展電子電路也是軟體機器人研究的一個關鍵。剛性電子器件會限制軟體機器人的變形能力，所以可伸展電子電路對于軟體機器人來說特別的重要。

伊利諾斯大學研究人員發(fā)明了一種新的可拉伸硅集成電路［35］，這種電路可以緊貼球體、人體表面和機翼等復雜形狀并將其包裹起來，在拉伸、壓縮、折疊和其他極端機械變形情況下電路也可以工作且電學性能穩(wěn)定。這為軟體機器人的研究提供了可靠的保證。

3 未來研究

軟體機器人技術的不斷進步取決于新型軟傳感器、致動器以及軟體機器人的設計優(yōu)化、控制和制造技術及有效的軟結構互連。從國內外關于軟體機器人的研究現(xiàn)狀來看，未來還需要從以下幾個方面開展研究工作。

①新材料、新結構。目前在軟體機器人中可供使用的活性材料非常緊缺，這使得軟體機器人的商業(yè)使用不切實際。因此，有必要研究制造新的活性物質。由于傳統(tǒng)的剛性連接器（如金屬緊固件）和電極不能用于軟體結構，因此必須開發(fā)新的連接機構和執(zhí)行機構。

②建模技術。目前對于軟體機器人的建模基本都是采用試驗的方法，對模仿對象進行力學分析和建?？蓢L試通過理論分析方法進行建模。但是由于軟體機器人的結構和材料的非線性以及其理論上的無限自由度，使得軟體機器人精確物理模型的建立極具挑戰(zhàn)性。此外，建模需考慮多耦合問題，并且要在加工和精確控制模型的基礎上進行可優(yōu)化設計。

③傳感器控制技術。理論上軟體機器人是無限自由度的，但是實際軟體機器人的傳感器和執(zhí)行器是有限的。因此，多自由度的軟體機器人并不是直接可觀察或是可控制的。這對軟體機器人的傳感器和形狀控制以及運動提出了挑戰(zhàn)。目前，軟體機器人使用的控制方法都是基于簡化的模型，不能保證無限自由度的控制。

④軟致動器技術。軟致動器在軟體機器人中扮演著重要的角色，在未來的研究中我們需要通過結構、控制過程的優(yōu)化設計，開發(fā)出各種基于軟材料的致動器，使其能真正為軟體機器人的應用發(fā)展貢獻力量。

⑤人機交互技術。軟體機器人在實踐中的一個重要問題是用戶和操作界面。目前軟體機器人的操作界面還處于起步階段。軟體機器人的結構和運動不同于類人機器人，其會給操作者帶來不便。因此，在未來的研究中需要把更多的精力集中在軟體機器人的反饋和輸入設備的硬件和軟件設計上，從而實現(xiàn)友好的人機交互界面。

4 結束語

本文介紹了軟體機器人分類，概述了有纜驅動式和無纜驅動式軟體機器人的特點及工作原理，歸納總結了現(xiàn)有的軟體機器人制造方法，并分析了軟體機器人作為一種新型機器人在未來發(fā)展中面臨的諸多挑戰(zhàn)。

目前，軟體機器人的應用研究主要體現(xiàn)在醫(yī)療領域和工業(yè)領域兩個方面。美國處在該領域研究的前沿，我國對于軟體機器人應用研究尚處于起步階段，隨著新材料、軟傳感器以及控制理論等相關技術和理論的發(fā)展，軟體機器人將得到越來越廣泛的應用。未來的軟體機器人將會采用柔性電子元件和微型硬件，它們可以分布式嵌入柔軟材料中［36－37］。

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Research on the Classification and Processing Manufacturing of Soft Robots

The classification and manufacturing processes of the soft robots are researched and investigated.Basically，there are two categories of soft robots，i.e.，the cable driven soft robot and the wireless driven soft robot；while the actuators are using electro-active polymer（EAP）and polymer gel，etc.Themanufacturing of the soft robots includes three parts，i.e.，flexible body fabrication，flexible actuator fabrication，and stretchable electronic circuit fabrication；novelmanufacturingmethods such as shape deposition and smartmicrostructure are applied.Soft robot is the continuation of the research on biomimetic robot，and it is an emerging robot，its research has just started，and will face more challenges in the future.

Soft robot Biomimetic robot Drivingmode Electro-active polymer Smartmaterials

TP242

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