夏澤洋研究團隊提出一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的軟體機器人形態(tài)學(xué)計算方法

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院神經(jīng)工程研究中心夏澤洋研究團隊在軟體機器人研究方向取得進展。相應(yīng)成果為“Chen YY, Xia ZY, Zhao QF. Optimal design of soft pneumatic bending actuators subjected to design-dependent pressure loads [J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2019, 24(6): 2873-2884(氣動軟體驅(qū)動器的優(yōu)化設(shè)計方法)”。

軟體驅(qū)動器的設(shè)計方法可以分為兩類:仿生設(shè)計方法和形態(tài)學(xué)計算方法。與需要大量實驗的仿生設(shè)計方法相比，形態(tài)學(xué)計算方法可以根據(jù)個性化的設(shè)計需求生成創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的形態(tài)學(xué)計算方法一般基于拓?fù)鋬?yōu)化方法實現(xiàn)，不能直接應(yīng)用于彎曲型軟體氣動驅(qū)動器(SPBA)設(shè)計。這是因為 SPBA 的形態(tài)通常還與所承受的設(shè)計有關(guān)的壓力載荷相關(guān)，其施加的位置取決于具體的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)。為解決軟體機器人形態(tài)學(xué)計算及優(yōu)化關(guān)鍵問題，該研究提出一種基于雙向漸進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化法的 SPBAs 形態(tài)學(xué)計算框架。

該優(yōu)化設(shè)計框架基于數(shù)值拓?fù)鋬?yōu)化方法建立，并將 SPBA 視為順應(yīng)性機構(gòu)，設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)是實現(xiàn)特定加載壓力下的最大彎曲變形和結(jié)構(gòu)剛度。在有限元分析中，設(shè)計域中的每個元素根據(jù)靈敏度設(shè)置為實體或空腔，其中靈敏度用目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的導(dǎo)數(shù)近似逼近。迭代優(yōu)化時，定義壓力作用于可移動的實體邊界表面。通過上述優(yōu)化得到的驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)果制作樣機，在無負(fù)載實驗中對其性能進行了評估。同時，為驗證該方法的有效性和實用性，設(shè)計了具有和不具有應(yīng)變限制層的矩形實體和圓柱形 SPBA，分別得到了使其實現(xiàn)最大彎曲運動的優(yōu)化結(jié)果。

該研究從理論分析角度驗證了廣泛應(yīng)用的氣動網(wǎng)格式(PneuNets)軟體驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)合理性。同時，該方法可以改變當(dāng)前軟體驅(qū)動器基于經(jīng)驗的試錯式結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，使 SPBA 設(shè)計面向特定的個性化運動需求，并使得研究能夠應(yīng)用于需要結(jié)合結(jié)構(gòu)約束和設(shè)計需求的應(yīng)用領(lǐng)域，如通過更改優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可創(chuàng)建用于滿足手部康復(fù)運動的非對稱結(jié)構(gòu) SPBA。

形態(tài)學(xué)計算是軟體機器人設(shè)計亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。該研究建立了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的軟體機器人形態(tài)學(xué)計算方法，是首次嘗試使用數(shù)值計算的方法從形態(tài)學(xué)計算的角度來設(shè)計軟體驅(qū)動器?；谕?fù)鋬?yōu)化方法的形態(tài)學(xué)計算框架，為滿足特定功能任務(wù)的軟體機器人的個性化形態(tài)設(shè)計提供了一種解決方法。

圖 1 目標(biāo)函數(shù)、末端點豎直位移和體積分?jǐn)?shù)的演化過程

圖 2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演化過程