岳曉奎，王勇越，朱明珠，汪雪川

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué)飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引 言

21世紀(jì)以來,人類的航天活動(dòng)呈爆發(fā)式增長(zhǎng),隨著越來越多的航天器被發(fā)射入軌,各類空間任務(wù)涌現(xiàn)。如空間碎片的抓捕移除任務(wù)[1],研究表明,隨著空間碎片的增多,航天器的碰撞概率也會(huì)大幅度增大,地球附近的空間環(huán)境將會(huì)被完全破壞,針對(duì)空間碎片的抓捕移除刻不容緩[2-3]。以及航天器的在軌維護(hù)任務(wù),對(duì)于在軌執(zhí)行任務(wù)的航天器來說,需要定期進(jìn)行保養(yǎng)和維修,以維持航天器的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)航天器的工作壽命[4]。此外還有空間大型平臺(tái)的在軌裝配任務(wù),受火箭運(yùn)載能力、整流罩包絡(luò)尺寸以及機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的影響,大跨度空間結(jié)構(gòu)難以一次建造發(fā)射升空,因此需要采用在軌裝配的方式進(jìn)行在軌構(gòu)建[5]?？臻g碎片的抓捕移除、航天器的在軌維護(hù)、大型空間結(jié)構(gòu)的在軌裝配等任務(wù)都對(duì)航天技術(shù)提出了一個(gè)要求——對(duì)空間目標(biāo)具備操作能力[6]。

空間目標(biāo)具有形狀各異、大小不一、運(yùn)動(dòng)不規(guī)律的特點(diǎn)[7]。針對(duì)這一特殊幾何特性和運(yùn)動(dòng)特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種用于在軌操作的空間機(jī)器人,主要包括以剛性機(jī)械臂為代表的剛性機(jī)器人和以繩網(wǎng)為代表的柔性機(jī)器人[8]。剛性機(jī)器人全部采用剛性材料制作,它們與目標(biāo)之間也大多是剛性接觸,通常依靠幾個(gè)點(diǎn)施加壓力或者摩擦力來進(jìn)行操作。這類機(jī)器人一般只適用于特定大小形狀的目標(biāo),而且需要進(jìn)行較為復(fù)雜的穩(wěn)定控制。對(duì)于很多空間操作任務(wù)來說,需要機(jī)器人可以順應(yīng)目標(biāo)的形狀并盡可能地增加接觸面積,減小接觸應(yīng)力,保證目標(biāo)不被損壞[9]。大量研究結(jié)果表明:利用剛性機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔順接觸,需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)[10],通常難以實(shí)現(xiàn)。另一類由繩網(wǎng)組成的柔性機(jī)器人能夠適用于多種形狀的空間目標(biāo),同時(shí),在操作過程中,相對(duì)柔順的接觸對(duì)目標(biāo)的破壞較小。但是這類機(jī)器人不容易控制[11],難以保持穩(wěn)定,且通常無法重復(fù)使用。發(fā)展性能更優(yōu)的空間機(jī)器人成為必然趨勢(shì)。

隨著仿生學(xué)和材料學(xué)的不斷發(fā)展,人們通過模擬自然界中的生物研制出了各種軟體機(jī)器人[12]。軟體機(jī)器人通常采用形狀記憶聚合物、硅膠等材料制造[13],這些材料表現(xiàn)出與軟體生物相似的柔軟特性,可以進(jìn)行較大變形,擁有無限多的自由度[14]。因此軟體機(jī)器人具有較強(qiáng)的形狀適應(yīng)性,而且柔順接觸的特性可以減輕對(duì)目標(biāo)造成的碰撞損壞,更容易保持接觸后的穩(wěn)定性[15]。此外,軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單,通常易于控制[16]。

相比傳統(tǒng)的空間剛性機(jī)器人和柔性機(jī)器人,軟體機(jī)器人在對(duì)目標(biāo)的適應(yīng)性、接觸過程的柔順性、接觸后的穩(wěn)定性、控制的復(fù)雜性和可重復(fù)使用性這五個(gè)方面都具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。將軟體機(jī)器人用于空間操作任務(wù)中,可以提升任務(wù)的可靠性與穩(wěn)定性。

空間碎片的抓捕移除、航天器的在軌維護(hù)、大型空間結(jié)構(gòu)的在軌裝配等空間操作任務(wù)對(duì)于軟體機(jī)器人的強(qiáng)度、抗沖擊性能、操作穩(wěn)定性、感知與自主操控能力都有較高要求。近年來國(guó)內(nèi)外多個(gè)高校和科研機(jī)構(gòu)正在開展面向空間操作的軟體機(jī)器人的相關(guān)研究[17]。2017年上海宇航系統(tǒng)工程研究所提出了一種仿章魚軟體機(jī)器人空間碎片柔性捕獲裝置[18],該裝置能夠?qū)π螤畈煌目臻g碎片進(jìn)行自適應(yīng)抓捕,同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)捕獲過程中對(duì)碰撞沖擊的能量吸收。面向空間操作的軟體機(jī)器人研究將成為未來空間機(jī)器人研究的一個(gè)趨勢(shì)。

驅(qū)動(dòng)、建模和感知是軟體機(jī)器人的三大主要研究方向,多樣化的驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為軟體機(jī)器人的建模帶來了極大的困難,而建模方法的研究又反過來促進(jìn)了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。軟體機(jī)器人感知技術(shù)的研究則依賴于驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和柔性傳感器的集成。隨著人工智能的不斷發(fā)展,未來軟體機(jī)器人的感知技術(shù)將帶來新的建模與控制方法。

本文將從軟體機(jī)器人的三個(gè)主要研究方向展開,首先介紹軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程,將軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)研究分為驅(qū)動(dòng)器和變剛度機(jī)構(gòu)兩個(gè)方面展開討論,然后分析現(xiàn)有的軟體機(jī)器人建模方法,討論軟體機(jī)器人為提高智能化水平而發(fā)展的感知與控制技術(shù),最后分析軟體機(jī)器人空間應(yīng)用將要面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn),為未來空間軟體機(jī)器人研究奠定基礎(chǔ)。

1 軟體機(jī)器人發(fā)展歷程

對(duì)于軟體機(jī)器人的研究最早可以追溯到20世紀(jì),1991年日本岡山大學(xué)的軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了一種小型四指軟體機(jī)械手[19],其由橡膠和纖維材料制成,利用壓縮氣體驅(qū)動(dòng),能夠完成一些簡(jiǎn)單的彎曲抓取動(dòng)作。2006年Grissom等[20]受章魚啟發(fā)研究了一種分段式軟體機(jī)器人,它能夠在野外復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出較強(qiáng)的操作能力。2011年哈佛大學(xué)的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型多腔體的仿海星軟體機(jī)器人[21],其順應(yīng)性很強(qiáng),但末端彎曲能力不足,在變形時(shí)不夠穩(wěn)定。軟體材料自身的柔順特性使其具有較高的安全系數(shù),逐漸被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。2013年P(guān)olygerinos等[22]研制了一種用于幫助患者進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練的可穿戴軟體機(jī)器人,該裝置十分貼合人手輪廓,通過向手指內(nèi)充放氣體輔助患者手指重復(fù)完成彎曲、伸直等動(dòng)作,從而完成手部的康復(fù)訓(xùn)練。隨著流體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,新的軟體驅(qū)動(dòng)方式也開始逐漸涌現(xiàn),2015年Manti等[23]研究制作了一種繩系驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人,其利用繩索的拉力來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),該軟體機(jī)器人柔順性不如氣動(dòng)軟體機(jī)器人,但其接觸力較大,可以包絡(luò)相對(duì)大體積和大質(zhì)量的物體。2016年哈佛大學(xué)仿生實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的全軟體機(jī)器人Octobot[24]引發(fā)了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。Octobot通體都是采用3D打印軟體材料制成,它能靈活地完成爬行、游泳等各種動(dòng)作。這是世界上首個(gè)全軟體機(jī)器人,它的出現(xiàn)帶來了新的設(shè)計(jì)思路和制作方法,此后軟體機(jī)器人得到了迅猛的發(fā)展。2018年Guo等[25]將電吸附原理與氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合提出了一種雙指軟體機(jī)器人,它不僅能夠抓取立體的物品,還能抓取相對(duì)扁平的物體,應(yīng)用范圍更廣。Charbel等[26]設(shè)計(jì)了一種真空驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人,該機(jī)器人無需澆筑硅膠,采用全3D打印制作,具有較大的有效載荷重量比。2019年Sinatra等[27]設(shè)計(jì)了一種適用于水下環(huán)境的軟體機(jī)器人,它可以產(chǎn)生足夠低的接觸力,以確保對(duì)水母等脆弱的軟體生物進(jìn)行無損接觸。同年,Lee等[28]使用自由滑動(dòng)的形狀記憶合金細(xì)線作為彈性體的驅(qū)動(dòng)器,設(shè)計(jì)了一種溫控的軟體機(jī)器人,該機(jī)器人能夠產(chǎn)生較大的形變和接觸力。2020年天津大學(xué)的仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)受穿山甲鱗片啟發(fā),研制了一種可變剛度的氣動(dòng)軟體機(jī)器人[29],提高了機(jī)器人的接觸力和接觸穩(wěn)定性。Wang等[30]設(shè)計(jì)了一種雙模軟體機(jī)器人,它由氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器和位于驅(qū)動(dòng)器末端的吸盤構(gòu)成,具有抓取和吸吮兩種工作模式,可以用于處理具有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的目標(biāo)。Clark等[31]設(shè)計(jì)了一種兩段式的軟體機(jī)器人,相比于整體式軟體機(jī)器人,該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確和穩(wěn)定的控制。Zhu等[32]利用多材料3D打印技術(shù)制作了一種能夠感應(yīng)彎曲曲率的軟體手指。越來越多的低成本材料被用于軟體機(jī)器人的制作,2021年Qi等[33]利用氣球和塑料制作了一種氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器,并利用該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了三指軟體機(jī)械手,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)八倍于自身重量的物體的抓取。同年,Yang等[34]提出了一種基于折紙技術(shù)的軟體機(jī)器人,它非常輕薄、易制作,并且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和模塊化。2022年Gunderman等[35]提出了一種肌腱形式驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人,該機(jī)器人具有接觸力反饋系統(tǒng),能夠溫和無損地接觸各類目標(biāo)。

建設(shè)工程中經(jīng)常出現(xiàn)交叉施工的現(xiàn)象，這在建設(shè)生產(chǎn)過程中是普遍存在的現(xiàn)象。在建設(shè)過程中，為了節(jié)省施工時(shí)間，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不按施工規(guī)定流程的流程進(jìn)行規(guī)范操作的現(xiàn)象。如鋼筋結(jié)構(gòu)綁的不夠結(jié)實(shí)，物體存放和使用不規(guī)范等等，都有可能對(duì)施工人員自身和他人帶來安全威脅。

圖1展示了軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程,可以看到,從1991年至今,軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方法越來越多樣化,制作方式在向著低成本、簡(jiǎn)單化方向不斷發(fā)展,同時(shí)其應(yīng)用范圍也從最初的簡(jiǎn)單抓捕任務(wù)到醫(yī)療領(lǐng)域再到航空航天領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

圖1 軟體機(jī)器人發(fā)展歷程[7-9,11,13,16,22,28]Fig.1 Development history of soft robots[7-9,11,13,16,22,28]

2 驅(qū)動(dòng)類型

驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的關(guān)鍵部件。剛性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器大多是電機(jī)、舵機(jī)等,具有可控性強(qiáng)和精度高的特點(diǎn),在工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用,但其缺乏安全性和環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)于柔順性強(qiáng)的仿生軟體機(jī)器人來說,需要具備同自然界中生物體肌肉相似的軟體驅(qū)動(dòng)器[36]。目前軟體驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式分為三類:流體驅(qū)動(dòng)、形狀記憶材料驅(qū)動(dòng)以及電驅(qū)動(dòng)[37]。

2.1 流體驅(qū)動(dòng)

流體驅(qū)動(dòng)是最常見的驅(qū)動(dòng)方式,包括液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)。采用流體驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器一般由極易變形的彈性體材料結(jié)合塑料、織物等其他柔軟的材料制作,在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有流體通道[38]。給驅(qū)動(dòng)器通入流體后,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部受壓導(dǎo)致發(fā)生形變和作用力[39]。Mckibben型氣動(dòng)人工肌肉是最早的仿生軟體驅(qū)動(dòng)器,在20世紀(jì)50年代由J.Mckibben設(shè)計(jì)[40]。如圖2(a)所示,該驅(qū)動(dòng)器由內(nèi)層彈性體材料制作的氣囊和外層纖維編織網(wǎng)組成,兩端封閉。當(dāng)內(nèi)層氣囊受到氣體壓力作用時(shí)會(huì)沿徑向膨脹,帶動(dòng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器沿軸向收縮并產(chǎn)生軸向拉力[41]。Bishop-Moser等[42]對(duì)Mckibben型氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種纖維增強(qiáng)型氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器直接將纖維編織網(wǎng)嵌入到了彈性體材料中,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),并且減小了彈性體和編織網(wǎng)之間的摩擦力。Naclerio等[43]制作了一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器,這種驅(qū)動(dòng)器采用不透氣的織物材料制作,直接通過柔軟的粘合劑粘合,無需使用氣囊。Niiyama等[44]設(shè)計(jì)了一種可以直接平面打印的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器制作方式非常簡(jiǎn)單而且成本較低。利用這種驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),他們?cè)O(shè)計(jì)了一種輕便易控的軟體機(jī)器人。另一種比較典型的流體驅(qū)動(dòng)器是流體彈性體驅(qū)動(dòng)器[45],這種驅(qū)動(dòng)器一般在結(jié)構(gòu)上是不對(duì)稱的,或者由幾種變形能力不同的材料制作。當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部加壓時(shí),壓力分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用較廣的流體彈性體驅(qū)動(dòng)器有哈佛大學(xué)的Whitesides小組提出的氣動(dòng)網(wǎng)格型驅(qū)動(dòng)器[46],如圖2(b)所示,由變形能力強(qiáng)的彈性體層和變形能力弱的應(yīng)變限制層組成,彈性體層內(nèi)設(shè)有網(wǎng)格形氣腔。當(dāng)充入氣體時(shí),氣腔發(fā)生膨脹帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向應(yīng)變限制層一側(cè)彎曲。上海交通大學(xué)的Wang等[47]通過將網(wǎng)格型氣腔斜切,實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的螺旋變形。中國(guó)科技大學(xué)的王寧揚(yáng)等[48]受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā),研究了一種氣動(dòng)蜂巢網(wǎng)絡(luò)軟體驅(qū)動(dòng)器,相比于網(wǎng)格型驅(qū)動(dòng)器能夠產(chǎn)生更大幅度的變形。

圖2 流體驅(qū)動(dòng)器Fig.2 Fluid powered actuators

2.2 形狀記憶材料驅(qū)動(dòng)

受溫度控制的形狀記憶材料也可以用于制作軟體驅(qū)動(dòng)器。形狀記憶材料包括形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP)。SMA一般由兩種以上的金屬元素構(gòu)成,其記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變。利用SMA進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的原理如圖3(a)所示,在低溫馬氏體狀態(tài)下使SMA產(chǎn)生形變。等到重新加熱時(shí),它又會(huì)恢復(fù)原本的形狀,以此產(chǎn)生位移和力[49]。Kim等[50]將SMA細(xì)線作為驅(qū)動(dòng)器封裝到有彈性鉸接結(jié)構(gòu)的機(jī)器人中,SMA細(xì)線在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生收縮從而帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲,這一驅(qū)動(dòng)方式和人體肌腱的驅(qū)動(dòng)方式相同。SMP的驅(qū)動(dòng)原理同SMA類似,然而相比SMA,SMP有更大的彈性變形能力[51],如圖3(b)所示。Ge等[52]用3D打印SMP制作了一種微型驅(qū)動(dòng)器,并利用這種驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了小型軟體機(jī)器人,能夠在形狀恢復(fù)時(shí)撿起螺釘。

圖3 形狀記憶材料驅(qū)動(dòng)原理Fig.3 Working principle of shape memory materials

2.3 電驅(qū)動(dòng)

另一類軟體驅(qū)動(dòng)器采用電驅(qū)動(dòng),比較典型的是電活性聚合物(EAP)驅(qū)動(dòng)器,EAP是一類能夠在電場(chǎng)刺激作用下產(chǎn)生彎曲、伸縮等大幅度變形的新型高分子材料[53]。與形狀記憶材料相比,EAP有更強(qiáng)的變形能力,在軟體中的使用也更加廣泛。根據(jù)作用機(jī)理的不同,可以將EAP分為電子型和離子型兩大類[54]。電子型EAP能夠在電場(chǎng)的作用下直接產(chǎn)生力和位移,把電能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能。最常見的此類驅(qū)動(dòng)器是介電彈性體(DE)驅(qū)動(dòng)器[55],如圖4(a)所示,其能在直流電的作用下改變自身的體積和形狀,響應(yīng)速度很快,但是容易發(fā)生擊穿導(dǎo)致失效。離子型EAP一般由電解液和兩個(gè)電極組成,通過化學(xué)反應(yīng)間接地把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)驅(qū)動(dòng)器是這種驅(qū)動(dòng)器的典型例子[56],其驅(qū)動(dòng)原理如圖4(b)所示,當(dāng)通電后,電解液中的陰陽離子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向移動(dòng),使得溶液產(chǎn)生了濃度梯度,從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器發(fā)生變形。相比DE,IPMC可以在較低電壓下產(chǎn)生位移和彎曲,轉(zhuǎn)化效率比較高。此外,Acome等[57]將流體驅(qū)動(dòng)器與靜電驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種液壓放大自愈式靜電驅(qū)動(dòng)器。如圖4(c)所示,該驅(qū)動(dòng)器由彈性體外層、電極和液體電介質(zhì)組成,當(dāng)施加電壓時(shí),產(chǎn)生的電場(chǎng)力會(huì)擠壓液體,從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力與位移。Kellaris等[58]設(shè)計(jì)的一款Peano-HASEL驅(qū)動(dòng)器能夠產(chǎn)生高達(dá)10%的線性收縮率,并且其負(fù)載力超過自身重量的200倍。相比較DE,液壓放大自愈式靜電驅(qū)動(dòng)器由于使用液體作為電介質(zhì),因此在擊穿后具有自愈合能力。Taghavi等[59]設(shè)計(jì)了一種電子帶驅(qū)動(dòng)器,如圖4(d)所示,其制作簡(jiǎn)單且無需液體封裝,因此更加輕薄易拓展。

圖4 電驅(qū)動(dòng)原理Fig.4 Working principle of electric powered actuators

表1是各類驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比。在現(xiàn)有的軟體驅(qū)動(dòng)器中,流體驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器具有功率密度大、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但其對(duì)氣密性要求高,并且需要笨重的壓力源等外部裝置,其中負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器無法應(yīng)用于空間的真空環(huán)境。形狀記憶材料驅(qū)動(dòng)器體積小、成本低,但響應(yīng)速度慢,在加熱和冷卻過程中還存在能量耗散,在空氣稀薄的空間環(huán)境中需要考慮散熱問題。電驅(qū)動(dòng)的軟體驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度快、安裝簡(jiǎn)單、收縮比大,但由于需要高壓電,可能存在安全問題,比較適用于無人操作的空間任務(wù)。

表1 典型驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比Table 1 Comparison of typical actuators

3 變剛度機(jī)構(gòu)

軟體機(jī)器人柔順的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給其帶來了接觸力受限、接觸過程中難以維持變形和缺乏穩(wěn)定性等不足,近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了軟體變剛度機(jī)構(gòu)的研究[60]。目前的軟體變剛度技術(shù)可以分為三類:負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的顆粒阻塞和層阻塞機(jī)構(gòu)、電磁驅(qū)動(dòng)的變剛度機(jī)構(gòu)以及溫控的變剛度機(jī)構(gòu)。

3.1 顆粒阻塞和層阻塞

顆粒阻塞機(jī)構(gòu)是一種較為常見的軟體變剛度機(jī)構(gòu),其制作簡(jiǎn)單且成本較低。英國(guó)倫敦大學(xué)的Jiang等[61]通過研究發(fā)現(xiàn),將顆粒裝在密閉膜中,當(dāng)膜內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小時(shí),顆粒之間的相互接觸和擠壓可以引起明顯的剛度變化,基于此現(xiàn)象,進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部顆粒的材料、大小、形狀、質(zhì)量等對(duì)于剛度變化的可實(shí)現(xiàn)范圍做了對(duì)比分析。芝加哥大學(xué)的Eric等[62]將顆粒物質(zhì)與空氣混合在同一個(gè)柔性氣囊中,制作出了一種廣義抓持裝置。如圖5(a)所示,當(dāng)其抓取目標(biāo)時(shí),顆粒在氣囊內(nèi)呈自由流動(dòng)狀態(tài),此時(shí)氣囊能夠根據(jù)目標(biāo)的輪廓自適應(yīng)發(fā)生形變,當(dāng)抽出氣囊內(nèi)的空氣形成負(fù)壓時(shí),顆粒將被壓縮在一起從而增加整個(gè)裝置的剛度,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的牢固抓取與穩(wěn)定保持。然而顆粒阻塞機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)笨重的缺點(diǎn),與其原理類似的層阻塞機(jī)構(gòu)則更為輕巧。Wall等[63]比較了不同顆粒阻塞和層阻塞機(jī)構(gòu)對(duì)于氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器剛度變化的影響,如圖5(b)所示。結(jié)果表明顆粒阻塞機(jī)構(gòu)靈活性強(qiáng)但容易分布不均勻,層阻塞機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)且通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到較大范圍剛度變化?；趯幼枞?麻省理工學(xué)院的Kim等[64]研發(fā)了一種剛度可變的蛇形機(jī)器人,如圖5(c)所示,該機(jī)器人由橡膠材料包裹螺旋形薄塑料層組成。當(dāng)施加真空壓力時(shí),內(nèi)部的螺旋形薄塑料層間摩擦力迅速增大,從而調(diào)整機(jī)器人的整體剛度。這種蛇形機(jī)器人具有體積小、重量輕、響應(yīng)快的特點(diǎn),但其制作方法較為復(fù)雜。

圖5 顆粒阻塞和層阻塞機(jī)構(gòu)Fig.5 Particle and layer jamming structures

3.2 電磁變剛度

另一類變剛度機(jī)構(gòu)是利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用引起剛度變化。電流變液(ER)和磁流變液(MR)在電磁作用下會(huì)發(fā)生粘度的改變,當(dāng)其封裝在軟體結(jié)構(gòu)中時(shí),粘度的變化會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)的剛度變化。Nishida等[65]將磁流變液與非磁性粒子混合后封裝在彈性膜中,制作了一種通用抓持器,如圖6(a)所示,該抓持器內(nèi)部的流體在磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)類似堵塞的現(xiàn)象,從而改變整個(gè)抓持器的剛度。哈佛大學(xué)的Majidi等[66]利用磁流變材料研發(fā)了一種低磁場(chǎng)下具有微型流變域的剛度可調(diào)彈性體,在沒有磁場(chǎng)作用時(shí),彈性體內(nèi)部的磁流變微粒隨機(jī)分散,彈性體剛度較低。在10～35 mT磁場(chǎng)作用下,磁流變微粒發(fā)生“凝固”現(xiàn)象,表現(xiàn)出“固體”性質(zhì),彈性體剛度提高。此外,西安交通大學(xué)的Wang等[67]研究了一種靜電干擾的變剛度機(jī)構(gòu),如圖6(b)所示,該機(jī)構(gòu)利用柔性電極間靜電引力的變化引起摩擦力的變化,從而導(dǎo)致剛度的變化,并基于此原理設(shè)計(jì)了兩種常見應(yīng)用場(chǎng)景下的拉伸變剛度裝置和彎曲變剛度裝置。

圖6 電磁變剛度機(jī)構(gòu)Fig.6 Variable stiffness structures actuated by electric and magnetic fields

3.3 溫控變剛度

一些溫控的智能材料也可用于變剛度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。Farshid等[68]通過研究熱金屬特性,設(shè)計(jì)了一款繩系驅(qū)動(dòng)的變剛度軟體機(jī)器人,如圖7(a)所示,該機(jī)器人可以通過局部加熱使得受熱區(qū)域的金屬熔化為低剛度液態(tài),未受熱區(qū)域呈現(xiàn)高剛度固態(tài),從而使不同區(qū)域發(fā)生不同程度的變形。形狀記憶聚合物是另一類受溫度調(diào)控的智能材料,Zhang等[69]利用形狀記憶聚合物研發(fā)了一種3D打印的剛度可調(diào)軟體驅(qū)動(dòng)器。如圖7(b)所示,該驅(qū)動(dòng)器通過充氣加壓實(shí)現(xiàn)彎曲變形,利用形狀記憶聚合物層的加熱與冷卻實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的剛度變化。Cheng等[70]利用研發(fā)的一種新型熱可調(diào)復(fù)合材料——蠟涂層復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)軟體驅(qū)動(dòng)器的剛度變化。如圖7(c)所示,在驅(qū)動(dòng)器表面涂上一層蠟涂層復(fù)合材料,蠟涂層冷卻硬化后,對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加外力,驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出較高的剛度,具有良好的穩(wěn)定性,無變形發(fā)生。當(dāng)蠟涂層受熱融化后,驅(qū)動(dòng)器則在外力作用下發(fā)生大變形,表現(xiàn)出極低的剛度。

表2是典型變剛度機(jī)構(gòu)的對(duì)比?；陬w粒阻塞和層阻塞原理的軟體變剛度機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)速度快、制作方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但由于大多需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng),因此在太空的真空環(huán)境中無法使用。采用電磁驅(qū)動(dòng)的變剛度機(jī)構(gòu)安全性較低,而且在一些存在電磁干擾的環(huán)境中應(yīng)用會(huì)受影響。通過溫度控制的變剛度機(jī)構(gòu)一般體積較小,但其需要考慮散熱問題,在空氣流通性差的空間環(huán)境中響應(yīng)速度慢。

表2 典型軟體變剛度機(jī)構(gòu)對(duì)比Table 2 Comparison of typical soft variable-stiffness structures

4 建模方法

軟體機(jī)器人主要由軟體材料組成,由于軟體材料自身的強(qiáng)非線性特性,其在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析方面存在很大困難。而且軟體機(jī)器人可以進(jìn)行大幅度彎曲變形,具有無限多的自由度,因此很難建立精確的數(shù)學(xué)模型[71]。

為了模擬軟體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,常采用分段建模的方法,其中Webster等[72]提出的分段常曲率(PCC)法是使用最廣泛的方法。在PCC方法中,連續(xù)的一段軟體結(jié)構(gòu)被分為多個(gè)曲率不同的圓弧,每個(gè)圓弧都可以用弧長(zhǎng)、曲率和所在平面轉(zhuǎn)角等參數(shù)描述,分別構(gòu)建作動(dòng)器空間與構(gòu)型空間之間的映射函數(shù)以及構(gòu)型空間與任務(wù)空間之間的映射函數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軟體機(jī)構(gòu)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)。其中作動(dòng)器空間與構(gòu)型空間之間的映射依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[73],而構(gòu)型空間與任務(wù)空間之間的映射與結(jié)構(gòu)無關(guān)。將作動(dòng)器空間映射至構(gòu)型空間主要有兩種具體的方法,一種是采用Euler-Bernoulli方程計(jì)算軟體機(jī)構(gòu)的力學(xué)變形[74],另一種是通過研究軟體機(jī)構(gòu)本體變量和曲率弧參數(shù)之間的關(guān)系建立運(yùn)動(dòng)方程。2016年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董紅兵[75]設(shè)計(jì)了一種新型充氣式軟體全向彎曲變形模塊,基于PCC思想,建立了該模塊的力學(xué)模型,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)氣壓對(duì)于模塊彎曲性能的影響。然而對(duì)于某些較為復(fù)雜的軟體機(jī)構(gòu)來說,PCC方法很難進(jìn)行精確建模。為此,Renda等[76]提出了一種基于離散化Cosserat理論的分段常應(yīng)變(PCS)法。該方法除了可以描述彎曲曲率和軸向變形外,還引入了剪切和扭轉(zhuǎn)變形。進(jìn)一步,該團(tuán)隊(duì)建立了多分段軟體機(jī)器人的力學(xué)模型[77],開發(fā)了兩種有效的遞歸算法,獲得了較好的模型精度,大大縮短了計(jì)算時(shí)間。

對(duì)于一些同環(huán)境存在交互的軟體機(jī)構(gòu)來說,則更宜采用有限元的方法進(jìn)行仿真分析[78]。有限元仿真的優(yōu)點(diǎn)在于能夠很容易地適應(yīng)各種機(jī)構(gòu)形狀,并且直觀地得到變形結(jié)果。加利福尼亞大學(xué)的Liang等[79]提出了一種仿生物肌肉組織結(jié)構(gòu)的有限元仿真方法,通過在有限元模型單元中嵌入肌肉纖維來模擬類似肌肉型骨骼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的許彬彬[80]基于模塊化思想設(shè)計(jì)出了一種螺旋式軟體驅(qū)動(dòng)器模塊,利用Abaqus軟件通過有限元模型仿真的方法分析了幾何參數(shù)對(duì)軟體模塊扭轉(zhuǎn)性能的影響規(guī)律,獲得了較為理想的精度。Hu等[81]針對(duì)幾何非線性、大變形的軟體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)值仿真做了大量的研究工作,提出了基于Kirchhoff-Love理論的超彈性薄殼有限元絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(ANCF)公式[82],并推導(dǎo)出了可壓縮的Neo-Hookean超彈性體材料以及不可壓縮的Mooney-Rivlin超彈性體材料在平面應(yīng)力狀態(tài)下的二維本構(gòu)模型。

建立軟體機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型可以采用傳統(tǒng)機(jī)器人建模方法中的凱恩法[83]和拉格朗日法[84]。使用凱恩法可以通過建立運(yùn)動(dòng)方程組來描述運(yùn)動(dòng)過程中的瞬時(shí)狀態(tài),但所建立的方程組比較繁瑣,需進(jìn)行化簡(jiǎn)處理,以得到簡(jiǎn)單的方程。上海交通大學(xué)的王超[85]基于Cosserat梁理論和Kelvin模型,采用凱恩法建立了線驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型,并提出了一種檢測(cè)軟體機(jī)械臂變形曲率的方法。而使用拉格朗日方程法則需要求出軟體機(jī)構(gòu)各部分的動(dòng)能和勢(shì)能,推導(dǎo)動(dòng)能與勢(shì)能的關(guān)系式,建立動(dòng)力學(xué)模型。Giri等[86]采用拉格朗日法建立了三段式平面軟體機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型,該模型基于PCC假設(shè),將每段的質(zhì)量看作位于末端的集中質(zhì)量。雖然這種建模方法在數(shù)值計(jì)算上可行,但并不能從能量上同實(shí)際情況相匹配,因此精度較低。

綜上所述,軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法主要有分段法和有限元法,分段法對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的軟體結(jié)構(gòu)來說具有較好的模擬效果,有限元法則適用于多種結(jié)構(gòu)的建模。而針對(duì)軟體機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模方法往往計(jì)算復(fù)雜且不易求解[71]。目前軟體機(jī)器人的建模研究大多還停留在簡(jiǎn)單的單驅(qū)動(dòng)器階段,對(duì)于多個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間耦合作用的研究以及同環(huán)境的交互研究還存在很大空白。對(duì)于空間操作任務(wù)來說,通常需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)器協(xié)同工作并考慮與環(huán)境的交互作用,適用于空間軟體機(jī)器人的建模方法有待進(jìn)一步研究。

5 智能化

機(jī)器人通過傳感器獲取外部信息。對(duì)于軟體機(jī)器人來說,不僅要求傳感器具有高精度,還要求傳感器具備同軟體材料相似的柔軟特性[87]。隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展,柔性觸覺傳感器的研究呈逐年上升趨勢(shì)。按照工作原理,可以將柔性傳感器大致分為三類:電阻式、電容式以及壓電式[88]。柔性電阻式傳感器的工作原理是將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)。Park等[89]研究了一種可擴(kuò)展的柔性電阻式應(yīng)變傳感器,該傳感器在聚苯乙烯薄膜上創(chuàng)建具有分層褶皺結(jié)構(gòu)的碳納米管(CNT)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),在檢測(cè)關(guān)節(jié)區(qū)域的彎曲運(yùn)動(dòng)上取得了很好的效果。Wang等[90]通過高溫碳化蠶絲織物材料制備了一種柔性電阻式傳感器,如圖8(a)所示,該傳感器具有高度柔順性和較寬的應(yīng)變檢測(cè)范圍。Muth等[91]通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一種電阻式應(yīng)變傳感器,這種傳感器將導(dǎo)電油墨直接通過編程好的路徑擠進(jìn)硅膠中。它的優(yōu)勢(shì)在于能夠打印任意形狀的傳感器圖案,但對(duì)導(dǎo)電油墨的性能有一定要求。Cheng等[92]提出了一種可以高度扭轉(zhuǎn)的陣列式觸覺傳感器,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為結(jié)構(gòu)材料,將纏有尼龍的銅線織成網(wǎng)狀物,并將導(dǎo)電聚合物包裹在網(wǎng)狀物的的節(jié)點(diǎn)上。Tang等[93]通過將褶皺石墨烯和PDMS組合,制備了一種柔性壓阻式傳感器,如圖8(b)所示,拱形結(jié)構(gòu)的石墨烯膜可以有效提高褶皺的強(qiáng)度,然而該方法的制備過程相對(duì)比較復(fù)雜。Pan等[94]基于彈性微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物薄膜制備出了一種超靈敏的電阻式壓力傳感器,該傳感器微結(jié)構(gòu)薄膜和電極之間的接觸面積隨著壓力的產(chǎn)生而增加,使其能夠以超高靈敏度檢測(cè)低壓。柔性電容式傳感器的工作原理與平行板電容器類似,都是將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)。Zhang等[95]研究了一種高度可拉伸的電容式傳感器,如圖8(c)所示,該傳感器以MXene/聚乙烯醇為電極,具有自我修復(fù)的特性。Viry等[96]利用導(dǎo)電織物電極和彈性體材料制成了一種全柔性電容式三軸力傳感器,該傳感器柔順性強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)范圍大。壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)的可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的傳感器。Kim等[97]設(shè)計(jì)了一種柔性壓電式觸覺傳感器,如圖8(d)所示,該傳感器由半球形PVDF陣列組成,這種設(shè)計(jì)是基于一種可控的膨脹工藝完成的,實(shí)驗(yàn)證明傳感器具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。

圖8 柔性觸覺傳感器Fig.8 Flexible sensors

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用柔性觸覺傳感器進(jìn)行了大量物體識(shí)別方面的研究[98]。Chen等[99]通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在印刷紙上集成了4×4的電極矩陣,接著將碳化縐紙作為壓力傳感器進(jìn)行了集成封裝,用于對(duì)不規(guī)則物體的識(shí)別。在傳感器陣列上放置物體時(shí),通過對(duì)應(yīng)位置壓力值的變化推測(cè)物體的形狀。Madry等[100]將接觸時(shí)間和觸覺圖像作為特征,再利用無監(jiān)督稀疏編碼的學(xué)習(xí)方法對(duì)物體進(jìn)行分類,該方法還可以判斷接觸的穩(wěn)定性。He等[101]研發(fā)了一種8×8的傳感器陣列,當(dāng)傳感器放置在表面有異物的凝膠上時(shí),中心受到的壓力大于邊緣壓力,這一研究對(duì)腫瘤的檢測(cè)有重大意義。傳感器陣列元素小型化有助于提高形狀識(shí)別的精度,對(duì)于接觸形狀較大的物體則需要大規(guī)模集成傳感器陣列。Sundaram等[102]在針織手套上集成了548個(gè)壓阻式壓力傳感器構(gòu)成的陣列,結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了抓取時(shí)產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)。通過將數(shù)據(jù)與物體關(guān)聯(lián)可以對(duì)抓取物體進(jìn)行形狀辨識(shí),并估計(jì)重量?；菸纳旱萚103]結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論,提出了一種將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的模型用于物體識(shí)別,具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的智能化除了需要其具備感知能力,還需要其具備自主控制能力。由于軟體機(jī)器人的建模難度大,近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于將新興的人工智能算法與軟體機(jī)器人的控制相結(jié)合,研究無模型控制問題[104]。Thuruthel等將強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法與軟體驅(qū)動(dòng)器的控制相結(jié)合,解決了復(fù)雜環(huán)境下軟體驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制問題。張文奇等[105]提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的軟體機(jī)構(gòu)抓捕策略,通過對(duì)多指軟體抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓捕訓(xùn)練,能夠形成一個(gè)最優(yōu)抓捕策略,提升了抓捕成功率。Satheeshbabu等[106]提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的軟體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制方法,在給出初始狀態(tài)、中止?fàn)顟B(tài)和獎(jiǎng)懲函數(shù)的情況下,軟體機(jī)械臂通過學(xué)習(xí)能夠完成路徑規(guī)劃任務(wù)。

空間軟體機(jī)器人需要具備感知與自主操控能力。柔性觸覺傳感器的發(fā)展提升了軟體機(jī)器人的感知能力。由于軟體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模困難,與人工智能算法結(jié)合的無模型控制策略研究將進(jìn)一步提升其智能化水平。

6 空間應(yīng)用面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

軟體機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)柔軟、形狀適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕等特點(diǎn),這些特點(diǎn)為其空間應(yīng)用帶來了很大優(yōu)勢(shì)。然而空間環(huán)境是十分復(fù)雜的,研究用于空間操作的軟體機(jī)器人將主要面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn):

(1)空間真空環(huán)境導(dǎo)致負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟體驅(qū)動(dòng)器和阻塞機(jī)構(gòu)等軟體變剛度機(jī)構(gòu)無法應(yīng)用,需要考慮靜電驅(qū)動(dòng)等其他的驅(qū)動(dòng)形式。

(2)在空氣稀薄的空間環(huán)境中需要考慮軟體機(jī)器人的散熱問題,同時(shí)一些溫控的軟體機(jī)器人響應(yīng)速度也可能會(huì)受影響。

(3)空間環(huán)境存在強(qiáng)輻射,對(duì)軟體機(jī)器人的制作材料提出了更高要求。

(4)空間操作任務(wù)復(fù)雜多變,空間碎片的抓捕移除、航天器的在軌維護(hù)、空間結(jié)構(gòu)的在軌裝配等任務(wù)都需要精細(xì)化操作,要求軟體機(jī)器人有更強(qiáng)的感知能力和更高的控制精度,需要將柔性傳感技術(shù)與智能控制算法相結(jié)合以提高操作能力。

7 結(jié)束語

軟體機(jī)器人作為一種新型的仿生機(jī)器人,具有安全性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)柔順等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)使其能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)剛性機(jī)器人和柔性機(jī)器人在空間應(yīng)用時(shí)的不足。隨著材料學(xué)、柔性電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展,軟體機(jī)器人會(huì)擁有更高的集成化和智能化水平,未來將出現(xiàn)更多用于執(zhí)行空間任務(wù)的軟體機(jī)器人。