在軌服務(wù)軟體機(jī)器人應(yīng)用展望*

岳曉奎，張 滕

(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

對(duì)在軌航天器進(jìn)行維修、加注、升級(jí)等在軌服務(wù)操作，符合國(guó)家未來10年航天事業(yè)發(fā)展的需求?，F(xiàn)有用于在軌服務(wù)的空間機(jī)器人系統(tǒng)主要采用剛性機(jī)械臂與剛性抓捕裝置，剛性裝置在執(zhí)行任務(wù)過程中存在著接觸力過大等問題會(huì)給航天器造成安全風(fēng)險(xiǎn)。軟體機(jī)器人由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可被動(dòng)實(shí)現(xiàn)接觸過程中的柔順性，具有機(jī)械智能。本文以軟體機(jī)器人中的軟體抓捕裝置為例，分析了軟體機(jī)器人用于在軌服務(wù)的可行性，介紹了軟體抓捕裝置的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出了軟體機(jī)器人在在軌服務(wù)應(yīng)用中的建議，為軟體機(jī)器人用于在未來的在軌服務(wù)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

1 在軌服務(wù)軟體機(jī)器人的可行性

空間機(jī)器人末端執(zhí)行器是其重要組成部分，直接參與抓捕和操作目標(biāo)，其可靠性和穩(wěn)定性是完成空間在軌服務(wù)任務(wù)的保證?，F(xiàn)有空間機(jī)器人抓捕裝置主要為剛性結(jié)構(gòu)，包括兩指抓捕裝置、仿生靈巧手、錐孔式對(duì)接機(jī)構(gòu)等。剛性裝置在抓取目標(biāo)時(shí)，若不對(duì)其與機(jī)械臂進(jìn)行精細(xì)控制，可能會(huì)造成抓捕過程沖擊過大，給在軌服務(wù)機(jī)器人與目標(biāo)帶來結(jié)構(gòu)損傷，甚至造成解體。因此需要結(jié)合力反饋信息對(duì)機(jī)械臂和抓捕裝置進(jìn)行精細(xì)控制以減弱抓捕過程中碰撞的影響，這給傳感器和控制器系統(tǒng)帶來了額外的負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)的魯棒性與可靠性。軟體機(jī)器人利用其結(jié)構(gòu)柔順的特點(diǎn)，可被動(dòng)實(shí)現(xiàn)接觸過程中的柔順接觸，特別適宜于抓捕、操作易碎目標(biāo)與人機(jī)交互等應(yīng)用場(chǎng)合。近些年來，受到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究領(lǐng)域產(chǎn)生了大量的研究成果。剛性抓捕裝置與軟體抓捕裝置的主要特性對(duì)比如表1所示。

表1 剛性抓捕裝置與軟體抓捕裝置主要特性對(duì)比Tab.1 Comparison of main characteristics between rigid and soft grippers

從表中可以看到，相比較于剛性抓捕裝置，軟體抓捕裝置具有適應(yīng)性好、驅(qū)動(dòng)方式多樣和柔順接觸等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作。利用軟體機(jī)器人執(zhí)行空間在軌服務(wù)任務(wù)，可在復(fù)雜的空間環(huán)境下進(jìn)行抓捕、維修等多類任務(wù)，可以提升任務(wù)的魯棒性與可靠性。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)與相關(guān)高校正展開針對(duì)空間應(yīng)用的軟體機(jī)器人的研究，并產(chǎn)生了豐富的研究成果。

2 軟體抓捕裝置發(fā)展現(xiàn)狀

軟體機(jī)器人最初起源于McKibben型氣動(dòng)肌肉，隨著美國(guó)哈佛大學(xué)Whitesides教授在2011年提出的氣動(dòng)網(wǎng)格型軟體抓捕裝置[1]，如圖1所示，軟體機(jī)器人的研究在近些年內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展。

圖1 氣動(dòng)網(wǎng)格型軟體抓捕裝置[1]Fig.1 Pneumatic soft gripper[1]

氣動(dòng)網(wǎng)格型軟體抓捕裝置采用正壓流體的驅(qū)動(dòng)方式，主體由單一材料組成，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)作用時(shí)，抓捕裝置對(duì)應(yīng)的軟體手指包裹目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓取。針對(duì)軟體抓捕裝置的研究，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、提升抓持力、提升裝置自感知能力等方面。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是基于仿生原理、折紙機(jī)構(gòu)與剪紙機(jī)構(gòu)等智能機(jī)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的軟體抓捕裝置，從驅(qū)動(dòng)性能、抓持能力等方面提升軟體抓捕裝置的性能。根據(jù)仿生原理，Crooks等提出了仿魚鰭效應(yīng)軟體抓捕裝置[2]，其利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在僅采用單一驅(qū)動(dòng)器的前提下，可實(shí)現(xiàn)抓捕表面自適應(yīng)目標(biāo)表面。其可以采用傳統(tǒng)剛性抓捕裝置的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)精確控制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種輔助假肢，用于幫助殘障人士抓取物體[3]。Khaled等通過優(yōu)化3D打印參數(shù)，研制了一種具有層阻塞效應(yīng)的軟體抓捕裝置，在不依靠外界激勵(lì)的情況下，實(shí)現(xiàn)了抓持能力的顯著提升[4]，仿魚鰭效應(yīng)軟體抓捕裝置的相關(guān)研究成果如圖2所示。哈佛大學(xué)Li等提出了一種基于折紙機(jī)構(gòu)的負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體抓捕裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在負(fù)壓流體的驅(qū)動(dòng)下，可以抓持大質(zhì)量的目標(biāo)[5]，如圖3(a)所示。Kan等利用折紙?jiān)?，研究了一種單片抓捕裝置，如圖3(b)所示，通過3D打印可以直接制備出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、低成本、高效生產(chǎn)[6]。Simons等基于剪紙?jiān)恚芯苛艘环N具有負(fù)泊松比的機(jī)構(gòu)，可用于制備軟體抓捕裝置[7]。

2.2 驅(qū)動(dòng)方式

相比較于剛性抓捕裝置主要采用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，軟體抓捕裝置的驅(qū)動(dòng)方式具有多種多樣的形式。與人手指彎曲的情況類似，Manti等采用繩系的方式以驅(qū)動(dòng)軟體手指，利用系繩的拉力控制軟體手指的曲率，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓取與釋放[8]。形狀記憶合金絲在受熱時(shí)長(zhǎng)度將縮短，Rodrigue等利用這個(gè)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了利用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的軟體抓捕裝置[9]。介電彈性體在兩端收到強(qiáng)電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)沿著電場(chǎng)方向發(fā)生形變，為此，Vito等研制了基于介電彈性體執(zhí)行器的軟體抓捕裝置[10]，通過控制電場(chǎng)強(qiáng)度，改變裝置的彎曲程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的有效抓捕，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用廣泛的特點(diǎn)，可用于抓持雞蛋等易碎目標(biāo)。Skfivan等通過主動(dòng)控制外部磁場(chǎng)，研制了一種基于磁流變彈性體的軟體抓捕裝置[11]。利用低沸點(diǎn)液體在較短的加熱時(shí)間內(nèi)可大量揮發(fā)的特點(diǎn)，繼而增大腔體內(nèi)部的壓強(qiáng)，基于此，Garrad等設(shè)計(jì)了一種利用低沸點(diǎn)液體的軟體執(zhí)行器[12]。部分研究成果見圖4。此外，軟體抓捕裝置還可以采用光驅(qū)動(dòng)與溶劑驅(qū)動(dòng)等形式[13-14]。

圖2 仿魚鰭效應(yīng)軟體抓捕裝置及其拓展[2-4]Fig.2 Fin Ray effect gripper and its extensions [2-4]

(a) 流體負(fù)壓驅(qū)動(dòng)抓捕裝置[5]

(b) 單片抓捕裝置[6]

(c) 負(fù)泊松比機(jī)構(gòu)[7]圖3 流體負(fù)壓驅(qū)動(dòng)抓捕裝置與單片抓捕裝置Fig.3 Fluid negative pressure driven catching device and single-chip catching device

(a) 繩系驅(qū)動(dòng)軟體抓捕裝置[8]

(b) 磁流變彈性體的軟體抓捕裝置[11]

(c) 基于低沸點(diǎn)液體的軟體抓捕裝置[12]圖4 不同驅(qū)動(dòng)形式的軟體抓捕裝置Fig.4 Soft gripper with different actuation methods

2.3 抓持力提升

傳統(tǒng)單一形式的軟體抓捕裝置，自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給其帶來了接觸柔順特性，但同時(shí)也帶來了其抓持力不足的缺陷。針對(duì)此不足，學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要的方式包括有變剛度機(jī)構(gòu)和與黏附技術(shù)相結(jié)合兩大類。變剛度機(jī)構(gòu)通過外部可控激勵(lì)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)剛度的主動(dòng)控制，在軟體抓捕裝置接觸目標(biāo)時(shí)，機(jī)構(gòu)剛度較低，抓捕機(jī)構(gòu)仍然具有結(jié)構(gòu)的柔順性，可被動(dòng)實(shí)現(xiàn)柔順接觸。當(dāng)碰撞發(fā)生之后，通過主動(dòng)施加外界激勵(lì)，顯著提升結(jié)構(gòu)剛度，繼而增加裝置的抓持力。典型的變剛度機(jī)構(gòu)主要有阻塞機(jī)構(gòu)、低熔點(diǎn)金屬和電流變和磁流變流體等。阻塞機(jī)構(gòu)主要包括層阻塞與顆粒阻塞兩類，二者都是通過改變外界激勵(lì)來改變層或者顆粒之間的摩擦力，繼而主動(dòng)改變機(jī)構(gòu)的剛度。

Brown等人利用顆粒阻塞機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種廣義抓捕裝置[15]，如圖5，該裝置對(duì)具有不同幾何特征的目標(biāo)都具有可靠的抓捕能力，該裝置主要由外部氣囊和內(nèi)部顆粒組成，外部氣囊用于隔絕外部環(huán)境，保證內(nèi)部的氣密性，內(nèi)部顆粒可以是咖啡粉末等顆粒，采用真空氣泵作為驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)裝置接觸目標(biāo)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不工作，氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)一致，顆粒之間摩擦力較小，可自由移動(dòng)，因此在接觸時(shí)可自適應(yīng)目標(biāo)表面；接觸完成后，驅(qū)動(dòng)器工作，氣囊收縮擠壓顆粒，顆粒之間摩擦力顯著增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的可靠抓捕。

(a)

(b)

(c)圖5 廣義抓捕裝置Fig.5 Universal soft gripper

魚鱗具有多層結(jié)構(gòu)，受此啟發(fā)，Kim等提出了一種依靠繩系驅(qū)動(dòng)的多層阻塞機(jī)構(gòu)，通過主動(dòng)改變系繩的拉力，實(shí)現(xiàn)剛度的主動(dòng)控制[16]。與文獻(xiàn)[15]中的原理類似，Narang等利用負(fù)壓作為層阻塞機(jī)構(gòu)的激勵(lì)源，通過改變內(nèi)部壓強(qiáng)改變每層之間的壓力[17]，繼而改變每層之間的摩擦力，達(dá)到改變剛度的目的,并基于有限元仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了層阻塞機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型。利用靜電吸附力改變每層電極之間的摩擦力，Wang等設(shè)計(jì)了高壓電驅(qū)動(dòng)的層阻塞機(jī)構(gòu)，通過改變電場(chǎng)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)摩擦力的主動(dòng)控制[18]。低熔點(diǎn)合金指熔點(diǎn)低于232℃的合金[19]，具有導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn)，可快速改變溫度繼而在液態(tài)與固態(tài)之間轉(zhuǎn)換。Wang等利用低熔點(diǎn)合金研究了一種變剛度機(jī)構(gòu)，并將其用于軟體機(jī)器人，研究了一種變剛度軟體機(jī)械臂[20]。電流變和磁流變流體是一種新型功能材料，通過外加磁場(chǎng)或電場(chǎng)可以改變材料彈性模量等結(jié)構(gòu)特性參數(shù)達(dá)到主動(dòng)改變機(jī)構(gòu)剛度的目的[21]。

(a) 靜電吸附與電磁吸附抓捕裝置

除了可變剛度機(jī)構(gòu)外，研究人員還將黏附技術(shù)應(yīng)用于軟體抓捕裝置，以提升對(duì)目標(biāo)的抓持力。在地面環(huán)境，真空吸附方式被廣泛應(yīng)用，其具有吸附力大、清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，為此，德國(guó)Festo公司將其與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的仿象鼻抓捕裝置相結(jié)合，研制了一種可實(shí)現(xiàn)可靠抓持多種不同目標(biāo)的軟體抓捕裝置[22]。靜電吸附源于靜電感應(yīng)原理，可在兩個(gè)接觸表面之間產(chǎn)生吸附力，具有對(duì)目標(biāo)表面要求低、使用環(huán)境不受限、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其采用高電壓、低電流的驅(qū)動(dòng)方式。電磁吸附采用低電壓、高電流的驅(qū)動(dòng)方式，依靠電磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力。Guo等通過合理設(shè)計(jì)電極，研究了一種同時(shí)具有靜電吸附和電磁吸附兩種黏附方式的柔性抓捕裝置，如圖6(a)所示,針對(duì)不同的目標(biāo)可以主動(dòng)切換黏附方式[23]。介電彈性體執(zhí)行器和靜電吸附均通過高壓直流電作為驅(qū)動(dòng)源，Shintake等將介電彈性體執(zhí)行器和靜電吸附相結(jié)合，通過巧妙的柔性電極設(shè)計(jì)，得到了同時(shí)具有二者特性的軟體抓捕裝置，如圖6(b)所示，可抓取不同的目標(biāo)[24]。

(b)介電彈性體與靜電吸附軟體抓捕裝置圖6 利用靜電吸附的軟體抓捕裝置Fig.6 Soft gripper with electrostatic adhesion

仿生黏附材料主要以仿壁虎黏性材料為代表，Glick等人將仿壁虎黏性材料與氣動(dòng)網(wǎng)格型軟體末端執(zhí)行器相結(jié)合，將其布置在抓捕面上，通過增加摩擦黏附力提升抓捕機(jī)構(gòu)的最大抓持力[25]。Zhang等將具有熱響應(yīng)特性的仿壁虎黏性薄膜與軟體抓捕裝置相結(jié)合，通過內(nèi)嵌的加熱薄膜與溫度傳感器，提升了對(duì)具有光滑表面和粗糙表面目標(biāo)的抓持能力，且實(shí)現(xiàn)了抓持力之間的主動(dòng)切換[26]。

由于軟體抓捕裝置獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，JPL進(jìn)行了大量的研究，其中以研究員Aaron Parness所在團(tuán)隊(duì)取得的成果最為顯著。針對(duì)仿壁虎黏性材料與軟體抓捕裝置的結(jié)合，除文獻(xiàn)[25]介紹的成果外，還將仿壁虎黏性薄膜與靜電吸附薄膜相結(jié)合，研制了一種新型吸附裝置，并在失重飛機(jī)上進(jìn)行了“零重力”實(shí)驗(yàn)[27-28]。

2.4 智能化

近些年，柔性電子技術(shù)發(fā)展迅速，柔性傳感器大量出現(xiàn)，提升了軟體抓捕裝置的自感知能力。Sundaram等將力敏薄膜與傳統(tǒng)手套相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手套抓捕目標(biāo)過程中的多點(diǎn)接觸力測(cè)量，將所測(cè)量的多點(diǎn)接觸力輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)幾何參數(shù)的辨識(shí)[29]。Elgeneidy等在軟體抓捕裝置抓捕面直接3D打印柔性應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了抓捕裝置曲率與接觸狀態(tài)的測(cè)量[30]。Gu等將水凝膠與柔性薄膜相結(jié)合，研究了一種新型智能皮膚，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于手勢(shì)的主動(dòng)測(cè)量[31]。

圖7 魔術(shù)貼型仿生軟體抓捕裝置Fig.7 Soft gripper with velcro-like adhesive

3 軟體機(jī)器人用于在軌服務(wù)的建議

軟體抓捕裝置具有結(jié)構(gòu)柔順、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)不同類型的在軌服務(wù)任務(wù)。此外，軟體抓捕裝置具有機(jī)械智能化的特點(diǎn)，符合現(xiàn)有空間任務(wù)智能化的發(fā)展方向。由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，將軟體機(jī)器人用于在軌服務(wù)任務(wù)需要考慮空間環(huán)境的特點(diǎn)與不同任務(wù)的約束條件，主要包括如下幾個(gè)因素：

(1) 空間具有真空的特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)方式提出了更高的要求，傳統(tǒng)采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)方式的軟體機(jī)器人無法在太空中使用；

(2) 空間環(huán)境強(qiáng)輻射特性以及對(duì)軟體機(jī)器人材料提出了更高的要求；

(3) 出于發(fā)射成本的考慮，需要軟體機(jī)器人能夠執(zhí)行多種不同的任務(wù)，并具有升級(jí)空間，能夠滿足未來的使用需求；

(4) 軟體機(jī)器人應(yīng)具有更強(qiáng)的自感知能力，能夠測(cè)量任務(wù)過程中的多物理量，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知，同時(shí)測(cè)量量也能夠用于提升機(jī)器人的控制精度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作。

4 結(jié) 論

軟體抓捕機(jī)構(gòu)作為一種新型抓捕機(jī)構(gòu)，具有可靠性高、魯棒性強(qiáng)、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)，能夠避免現(xiàn)有剛性抓捕裝置帶來的許多不足之處，在未來的在軌服務(wù)任務(wù)中發(fā)揮巨大的應(yīng)用價(jià)值，具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠提升在軌服務(wù)任務(wù)的智能化程度。