王宇軒, 劉朝雨, 王江北, 費(fèi)燕瓊
(上海交通大學(xué) 機(jī)器人研究所,上海 200240)
當(dāng)傳統(tǒng)的剛體機(jī)器人與自然環(huán)境互動時(shí),存在一些安全隱患. 同時(shí),剛體機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性差,在運(yùn)動靈活性上有所欠缺. 由柔性材料制成的軟體機(jī)器人可以彌補(bǔ)剛體機(jī)器人的不足,具有安全性好、操作方便、運(yùn)動靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-3].文獻(xiàn)[4]研究了一種能夠爬過障礙物的4條腿軟體機(jī)器人.受螃蟹爬行行為及其結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā),他們開發(fā)了一種能夠運(yùn)送物品的軟體機(jī)器人,該機(jī)器人可跨越低矮障礙物.文獻(xiàn)[5]基于改進(jìn)的介電彈性體(DE)最小能量結(jié)構(gòu)致動器開發(fā)了一種類似環(huán)節(jié)動物的軟體機(jī)器人.文獻(xiàn)[6]提出了一種水凝膠機(jī)器人,其可以在水中平坦或傾斜的表面上快速行走.如今關(guān)于軟體機(jī)器人的研究日益增多,但對具有多地形運(yùn)動能力的軟體機(jī)器人的研究還鮮有耳聞.
目前,現(xiàn)有的多地形機(jī)器人,如足式或輪式機(jī)器人,不具備攀爬能力,無法實(shí)現(xiàn)立體機(jī)動,限制了其在極端環(huán)境中的應(yīng)用.現(xiàn)有爬管機(jī)器人應(yīng)用范圍非常有限,僅能在管內(nèi)或管外進(jìn)行移動,并且部署流程繁復(fù).文獻(xiàn)[7]提出了一種由3個(gè)可伸縮的氣動軟體驅(qū)動器和兩個(gè)柔性足組成的并聯(lián)軟體爬管機(jī)器人,但其體型較大、質(zhì)量較重,只能在大型管道內(nèi)部爬行,無法在外部爬行.文獻(xiàn)[8]開發(fā)了具有跳躍和爬行功能的軟體爬管機(jī)器人,但其無法在其他復(fù)雜地形中運(yùn)動.文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的一種輕型軟體機(jī)器人,能夠?qū)崿F(xiàn)在地面上爬行和越障,但由于體型過小而無法搭載傳感器.文獻(xiàn)[10]提出了一款執(zhí)行災(zāi)害響應(yīng)任務(wù)的兩棲全地形移動機(jī)器人,其能夠爬上0.3 m的臺階、樓梯和雪坡,但受限于輪式而無法實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動.文獻(xiàn)[11]提出了一種3D打印機(jī)器人和一種波紋柔性腿,其能夠繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn),該機(jī)器人能夠?qū)⑼忍щx地面5.3 cm,并且能夠以20 mm/s的速度行走,但該波紋軟腿無法完成攀爬運(yùn)動.文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種用于核電站管道和石油化工綜合管道檢測的遠(yuǎn)程控制剛體爬管機(jī)器人,但其體型大、質(zhì)量重,只能在大型管道外部爬行.
針對現(xiàn)有爬管機(jī)器人應(yīng)用范圍有限、運(yùn)動場景單一、多地形運(yùn)動機(jī)器人無法攀爬、空間運(yùn)動受限等問題,本文提出一種新型的雙模塊軟體機(jī)器人設(shè)計(jì),該機(jī)器人由兩個(gè)軟體模塊組成,質(zhì)量輕、體積小,采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模式可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道外側(cè)、斜坡、草地、崎嶇路面等多種復(fù)雜地面環(huán)境中的運(yùn)動.
為了實(shí)現(xiàn)全向彎曲功能,軟驅(qū)動器氣室需要沿周向分布.理論上,3個(gè)沿圓周分布的氣室可實(shí)現(xiàn)全向彎曲功能,但是隨著氣室數(shù)量的增加,彎曲角度的變化將更為平滑.若氣室數(shù)量太多會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于生產(chǎn)加工,因而本模塊化軟體機(jī)器人采用4個(gè)氣室設(shè)計(jì).氣室截面設(shè)計(jì)為圓形,圓形氣室膨脹時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布更加平衡,具有更強(qiáng)的耐用性.
通過理論計(jì)算和有限元仿真,綜合考慮模具加工難度、限制層的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、制作誤差、運(yùn)動范圍、驅(qū)動器質(zhì)量和體積以及驅(qū)動器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后,獲得單個(gè)驅(qū)動器的模型參數(shù).驅(qū)動器的外徑為20 mm,氣室橫截面為半徑為 2 mm 的圓,其圓心與直通式驅(qū)動器軸線的距離為 5.5 mm, 氣室壁的最小厚度為 2.5 mm, 直通式驅(qū)動器長度為100 mm,中心具有限制絲,制作材料為 Dragon skin 20 型硅橡膠.軟體模塊的設(shè)計(jì)如圖1所示;驅(qū)動器截面如圖1(a)所示,為表述清晰,將氣室1~4進(jìn)行編號.
圖1 軟體模塊的設(shè)計(jì)Fig.1 Design of soft module
雙模塊軟體機(jī)器人由兩個(gè)全向彎曲軟體模塊組成,每個(gè)全向彎曲軟體模塊由一個(gè)驅(qū)動器、兩個(gè)由低硬度硅膠制成的軟體齒輪、兩個(gè)JY901S姿態(tài)傳感器、一根中心限制線、兩個(gè)傳感器支架、兩個(gè)密封層以及4根氣管組成(見圖1(b)).其中,軟體齒輪的作用是增大雙模塊軟體機(jī)器人的運(yùn)動速度.當(dāng)軟體齒輪受到壓力時(shí),齒輪外側(cè)產(chǎn)生接觸變形,增大了接觸面面積,提高了摩擦系數(shù),同時(shí)軟體齒輪增大了雙模塊軟體機(jī)器人的外徑,能夠提升雙模塊軟體機(jī)器人運(yùn)動速度.
雙模塊軟體機(jī)器人由底部傳感器支架連接的兩個(gè)全向彎曲軟體模塊組成,在頭部、中部、尾部安裝了3個(gè)姿態(tài)傳感器.傳感器的電源線和信號線為螺旋形,能夠適應(yīng)不同方向的彎曲.雙模塊軟體機(jī)器人的總有效彎曲長度為180 mm,不包括密封層的厚度,如圖2所示.
圖2 雙模塊軟體機(jī)器人Fig.2 Dual module soft robot
軟體模塊具有兩個(gè)運(yùn)動功能,常規(guī)的全向彎曲功能和新型的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功能.全向彎曲本質(zhì)上是多個(gè)氣室彎曲角度和彎曲角度的合成.首先,對單氣室充氣彎曲機(jī)理進(jìn)行定性分析,假設(shè)驅(qū)動器軸線部分為不可伸縮但能自由彎曲的限制絲,并假設(shè)其端面為剛性端面.對驅(qū)動器右側(cè)的剛性擋板進(jìn)行靜力分析,如圖3所示.其中:M1為擠壓彎曲力矩;M2為排斥彎曲力矩;F1為充氣氣室對擋板的擠壓力;F2為未充氣氣室對擋板的排斥力;FT為限制絲拉力;l1為充氣氣室對擋板擠壓力的力臂.由圖4可知,上側(cè)氣室充氣膨脹,其沿軸線方向的膨脹力可表示為
(1)
圖3 彎曲力矩來源示意圖Fig.3 Schematic diagram of source of bending moment
M1=F1l1
(2)
可知,要增大彎曲力矩,可選擇增大擠壓力或增長等效力臂.
由單氣室彎曲變形機(jī)理可知,驅(qū)動器的彎曲力矩主要由氣室對擋板的擠壓力產(chǎn)生.由驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的對稱性可知,擠壓力合力的作用點(diǎn)位于通過氣室圓心和驅(qū)動器中心的對稱軸上,如圖4(a)所示.彎曲力矩的方向由充氣氣室圓心指向驅(qū)動器中心,雙氣室同時(shí)充氣時(shí)驅(qū)動器的彎曲力矩為兩個(gè)氣室的合彎曲力矩.合力矩方向與兩個(gè)氣室產(chǎn)生的彎曲力矩的相對大小有關(guān),而合力矩大小由兩個(gè)氣室氣壓的大小決定.易知合力矩方向?yàn)轵?qū)動器的彎曲角度,通過控制不同氣室間氣壓的大小,可以使驅(qū)動器朝任意方向進(jìn)行彎曲,實(shí)現(xiàn)全向彎曲運(yùn)動.氣室編號及彎曲角度示意圖如圖4(b)所示.當(dāng)1號氣室進(jìn)行充氣時(shí),驅(qū)動器將向x正方向彎曲,定義此時(shí)的彎曲角度為θ=0°;當(dāng)2號氣室充氣時(shí),驅(qū)動器將向y正方向進(jìn)行彎曲,定義此時(shí)的彎曲角度為θ=90°.若1號氣室和2號氣室同時(shí)充氣,則彎曲角度將在 0°~90° 范圍內(nèi),具體的彎曲角度由兩個(gè)氣室的氣壓決定.
圖4 彎曲分析示意圖Fig.4 Diagram of bending analysis
驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是基于自身的全向彎曲運(yùn)動的,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)依賴于彎曲角度的連續(xù)變化.驅(qū)動器4個(gè)氣室的氣壓變化規(guī)律如圖5所示,其中:t為時(shí)間;T為一個(gè)充氣周期.充氣模式能夠使驅(qū)動器的彎曲角度從0° 連續(xù)變化到 360°.假設(shè)彎曲角度始終保持不變,這種彎曲角度的連續(xù)變化如圖6(a)所示.以直通式驅(qū)動器底部(紅色圓圈)為參考系,隨著彎曲角度θ從0° 增加到360°,驅(qū)動器頂部的運(yùn)動軌跡恰好是一個(gè)圓,但這種形式的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不適用于多地形運(yùn)動.以驅(qū)動器的軸線(紅色曲線)為參考系,則整個(gè)驅(qū)動器的運(yùn)動可以被看作為繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動, 如圖6(b)所示.旋轉(zhuǎn)軸的彎曲程度可通過調(diào)整驅(qū)動器的彎曲角度來進(jìn)行控制.
圖5 驅(qū)動器4個(gè)氣室的氣壓變化規(guī)律Fig.5 Pressure change pattern of four air chambers of actuator
圖6 直通式驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動示意圖Fig.6 Schematic diagram of rotary movement of straight-through actuator
基于上述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和彎曲運(yùn)動,單個(gè)驅(qū)動器具備多地形運(yùn)動能力.在平地、沙地、草坪、斜坡等地形進(jìn)行移動時(shí),驅(qū)動器與環(huán)境之間的接觸壓力由重力提供.在爬管運(yùn)動時(shí)需要通過直通式驅(qū)動器的彎曲產(chǎn)生接觸壓力.驅(qū)動器各部分的旋轉(zhuǎn)方向不同,產(chǎn)生的摩擦力方向也不同.
單個(gè)直通式驅(qū)動器豎直爬管運(yùn)動過程的受力情況如圖7所示.其中:Mr為直通式驅(qū)動器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)的旋轉(zhuǎn)力矩;G為直通式驅(qū)動器受到的重力;Fc為直通式驅(qū)動器纏繞管道外壁產(chǎn)生的抱緊力,抱緊力的方向是由驅(qū)動器截面圓心指向管壁的法向方向;Fn為管道對直通式驅(qū)動器的反作用力;Ff為直通式驅(qū)動器與管道外壁之間的靜摩擦力;r0為直通式驅(qū)動器的外徑.
圖7 直通式驅(qū)動器豎直爬管運(yùn)動過程的受力情況示意圖Fig.7 Schematic diagram of forces of straight through actuator during vertical pipe climbing movement
爬管機(jī)器人克服重力沿豎直管道攀爬需要滿足下列條件:
(3)
式中:ma為直通式驅(qū)動器質(zhì)量;g為重力加速度;μ為直通式驅(qū)動器與管道外壁之間的摩擦因數(shù).從上述不等式可知,為了實(shí)現(xiàn)爬管運(yùn)動有3個(gè)要點(diǎn):① 增大直通式驅(qū)動器和管道壁之間的摩擦因數(shù);② 增大直通式驅(qū)動器在爬管過程中的抱緊力,使其盡可能緊地纏繞在管道外壁上;③ 直通式驅(qū)動器要能夠輸出足夠的旋轉(zhuǎn)力矩.其中,直通式驅(qū)動器的抱緊力和旋轉(zhuǎn)力矩間存在耦合性,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),爬管運(yùn)動主要受抱緊力影響,當(dāng)抱緊力滿足爬管條件時(shí),旋轉(zhuǎn)力矩也自動滿足爬管條件.
圖8 雙模塊軟體機(jī)器人爬行運(yùn)動示意圖Fig.8 Schematic diagram of dual modular soft robot climbing
雙模塊軟體機(jī)器人具有柔順性好、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),通過對運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì),雙模塊軟體機(jī)器人在開環(huán)控制下可簡單快速地實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動效果.
雙模塊軟體機(jī)器人的控制系統(tǒng)如圖9所示,其由氣路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)組成,其中:USB為通用串行總線,用于電腦與微控制器的連接和通信;GND為電路接地端;K1,K2,…,K8為8個(gè)繼電器,每個(gè)繼電器控制一個(gè)微型電磁閥的開關(guān);EV1,EV2,…,EV8為8個(gè)微型電磁閥,每個(gè)微型電磁閥控制一個(gè)氣室的充放氣.控制系統(tǒng)主要包含電源、氣泵、減壓閥、微型電磁閥、姿態(tài)傳感器和微控制器.
圖9 雙模塊軟體機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.9 Control system of dual modular soft robot
雙模塊軟體機(jī)器人采用通過調(diào)節(jié)充放氣過程的氣體流量來實(shí)現(xiàn)對氣室氣壓的間接控制,通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)波對二位三通電磁閥的通斷進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)不同步態(tài).通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比,可以調(diào)節(jié)充電時(shí)間和放電時(shí)間的比率,調(diào)節(jié)氣室中的氣壓.其中,二位三通電磁閥使用的是SMC S070C-5DC-32微型電磁閥,其主要參數(shù)如表1所示.其中:Ue為電子閥額定電壓;pmax為電子閥最高使用壓力;mSMC為電磁閥質(zhì)量;PSMC為電磁閥功耗;t1為通電響應(yīng)時(shí)間,t2為斷電響應(yīng)時(shí)間, 響應(yīng)時(shí)間是最高工作壓力和額定電壓下的值.
表1 SMC S070C-5DC-32 性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of SMC S070C-5DC-32
根據(jù)響應(yīng)時(shí)間,電磁閥的最大工作頻率約為160 Hz.當(dāng)使用PWM波控制電磁閥時(shí),由于占空比的影響,電磁閥的工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于160 Hz.假設(shè)PWM波的頻率為f1,則單個(gè)周期的長度為1/f1.如果占空比為d1,則PWM波的占空比和頻率應(yīng)滿足以下不等式:
給定頻率下占空比需滿足:
1-t2f1>d1>t1f1
(6)
腔室壓力由PWM波的占空比決定,因此占空比的范圍決定了腔室壓力的調(diào)節(jié)范圍.根據(jù)式(6),為了獲得更大的氣壓調(diào)節(jié)范圍,PWM波的頻率不宜過高.經(jīng)測試,當(dāng)PWM波的頻率低于30 Hz時(shí),氣室內(nèi)氣壓的抖動明顯,調(diào)節(jié)效果差.當(dāng)占空比為15%~90%時(shí),8個(gè)電磁閥可以正常工作.實(shí)驗(yàn)所用 PWM 波頻率為 30 Hz, 有效占空比范圍為15%~90%.對于超出有效范圍的占空比做飽和處理,當(dāng)占空比大于90%時(shí)設(shè)定占空比為90%,當(dāng)占空比小于15%時(shí)設(shè)定占空比為15%.腔室壓力決定了驅(qū)動器的彎曲角度,而腔室壓力又由PWM波的占空比決定.于是,在200 kPa的供氣氣壓下,依次對各氣室進(jìn)行充氣測試,得到了驅(qū)動器彎曲角度與PWM波占空比之間的關(guān)系,通過線性處理后,得到如圖10所示的關(guān)系曲線.
圖10 彎曲角度與占空比關(guān)系Fig.10 Bending angle versus duty ratio
在步態(tài)控制方法中,兩個(gè)軟體模塊采用的控制信號完全相同,因此運(yùn)動規(guī)律也完全相同.以爬管步態(tài)為例,基于以上思想,設(shè)計(jì)了如圖11所示的爬管步態(tài).其中一個(gè)軟體模塊的1~4 號氣室的分布與另一軟體模塊的 5~8 號氣室相對應(yīng).
圖11 爬管步態(tài)下的氣室充放氣模式 Fig.11 Air chamber inflation and deflation pattern of pipe-climbing gait
圖12 步態(tài)控制方法下雙模塊軟體機(jī)器人抱緊力及彎曲角度示意圖Fig.12 Schematic diagram of bending angle and direction of dual modular soft robot under gait control strategy
假設(shè)雙模塊軟體機(jī)器人與管道外壁之間無打滑現(xiàn)象,則雙模塊軟體機(jī)器人的爬管速度可以由下式求出:
(7)
式中:r1=25 mm,為軟齒輪半徑.增加軟體齒輪外徑和減小周期長度都能提高雙模塊軟體機(jī)器人的爬管速度,但當(dāng)周期長度低于一定范圍后,單次充放氣過程無法在 1/8 個(gè)周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài),將對爬管運(yùn)動的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響.
多地形運(yùn)動都可采用如圖11所示的運(yùn)動步態(tài),只需在步態(tài)周期開始前對輸入氣壓進(jìn)行調(diào)整即可.
雙模塊軟體機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)單模塊驅(qū)動器無法完成的轉(zhuǎn)向功能.雙模塊軟體機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動過程如圖13所示.轉(zhuǎn)彎運(yùn)動步態(tài)的分為5個(gè)階段:① 左側(cè)模塊充氣彎曲使雙模塊軟體機(jī)器人不易翻倒;② 右側(cè)模塊向上彎曲離開地面;③ 右側(cè)模塊朝斜上方彎曲;④ 右側(cè)模塊回到地面;⑤ 同時(shí)減小兩個(gè)模塊的彎曲角度.至此,模塊完成了向左轉(zhuǎn)彎.雙模塊軟體機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動的原理為:右側(cè)模塊在階段③不與地面接觸不受摩擦力影響,但是在階段⑤會受到地面的摩擦力,兩個(gè)階段受到的外力無法抵消,導(dǎo)致雙模塊軟體機(jī)器人發(fā)生偏轉(zhuǎn).雙模塊軟體機(jī)器人一個(gè)周期轉(zhuǎn)過的角度由階段③右側(cè)模塊轉(zhuǎn)過的角度決定.
圖13 雙模塊軟體機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動過程Fig.13 Turning movement process of dual modular soft robot
雙模塊軟體機(jī)器人通過自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)垂直爬管運(yùn)動,這個(gè)過程中需要維持足夠大的抱緊力.實(shí)驗(yàn)中通過步態(tài)控制方法,控制雙模塊軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的垂直攀爬運(yùn)動.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)步態(tài)周期為12 s時(shí),雙模塊軟體機(jī)器人能達(dá)到較快攀爬速度.機(jī)器人垂直攀爬實(shí)驗(yàn)如圖14所示,其可在6種管道環(huán)境實(shí)現(xiàn)垂直攀爬,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.其中,管道采用聚氯乙烯(PVC)材質(zhì).
圖14 垂直攀爬實(shí)驗(yàn)Fig.14 Experiment of vertical climbing
表2 不同攀爬環(huán)境下的垂直移動速度Tab.2 Vertical movement speed in different climbing environments
爬坡實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)角度可調(diào)的斜坡,斜坡表面為聚氨酯(PU)材質(zhì).在不同斜度下,使用周期為 12 s的步態(tài)控制方法驅(qū)動雙模塊軟體機(jī)器人完成爬坡運(yùn)動,在實(shí)驗(yàn)中選取的斜坡最大角度為28°.實(shí)驗(yàn)表明,雙模塊軟體機(jī)器人在28° 斜坡上的平均速度約為 7.1 mm/s.具體的爬坡過程如圖15所示.
圖15 爬坡運(yùn)動過程Fig.15 Process of slope-climbing
越障實(shí)驗(yàn)中,使雙模塊軟體機(jī)器人分別在木地板、人造草皮、碎石路面進(jìn)行運(yùn)動,以研究其在復(fù)雜地形中的移動能力.其中碎石路面如圖16所示,分為兩段,兩段碎石路面的碎石大小分別為: 6~9 mm、10~20 mm.碎石路面爬行過程如圖17所示.越障測試中使用周期為8 s的步態(tài)控制方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示.
表3 不同地形下的運(yùn)動速度Tab.3 Movement speed in different terrains
圖16 碎石路面運(yùn)動測試Fig.16 Movement test on gravel road
圖17 碎石路面爬行過程Fig.17 Creep process on gravel pavement
本文提出了一種新穎的具備多地形運(yùn)動能力的雙模塊軟體機(jī)器人,每個(gè)軟體模塊由四氣室全向彎曲軟體氣動驅(qū)動器組成;建立全向彎曲軟體驅(qū)動器的彎曲模型,分析了全向彎曲軟體驅(qū)動器彎曲角度的變化規(guī)律;提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模式,該機(jī)器人能通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模式在多種復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動;針對模塊化軟體機(jī)器人柔順性好的特點(diǎn),提出了一種不依賴傳感器的模塊化軟體機(jī)器人步態(tài)控制方法,能夠更加簡單快速地實(shí)現(xiàn)多地形運(yùn)動功能,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性.該雙模塊軟體機(jī)器人能在多種地形下進(jìn)行穩(wěn)定快速的運(yùn)動,具有極強(qiáng)的適應(yīng)性,在管道檢測和復(fù)雜地形探測等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.