具有多地形運(yùn)動(dòng)能力的雙模塊軟體機(jī)器人

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器開發(fā)了一種類似環(huán)節(jié)動(dòng)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(duì)具有多地形運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)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(dòng).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(dòng)機(jī)器人，其能夠爬上0.3 m的臺(tái)階、樓梯和雪坡，但受限于輪式而無法實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動(dòng).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(dòng).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(cè)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(duì)現(xiàn)有爬管機(jī)器人應(yīng)用范圍有限、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景單一、多地形運(yùn)動(dòng)機(jī)器人無法攀爬、空間運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng).

1 雙模塊軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)全向彎曲功能，軟驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)范圍、驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量和體積以及驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，獲得單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的模型參數(shù).驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器長(zhǎng)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(dòng)器截面如圖1(a)所示，為表述清晰，將氣室1～4進(jìn)行編號(hào).

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(zhǎng)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

2 單模塊軟體驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)分析

軟體模塊具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)功能，常規(guī)的全向彎曲功能和新型的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)單氣室充氣彎曲機(jī)理進(jìn)行定性分析，假設(shè)驅(qū)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)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(duì)擋板的擠壓力；F2為未充氣氣室對(duì)擋板的排斥力；FT為限制絲拉力；l1為充氣氣室對(duì)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(zhǎng)等效力臂.

由單氣室彎曲變形機(jī)理可知，驅(qū)動(dòng)器的彎曲力矩主要由氣室對(duì)擋板的擠壓力產(chǎn)生.由驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的對(duì)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(dòng)器中心的對(duì)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(dòng)器中心，雙氣室同時(shí)充氣時(shí)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)器朝任意方向進(jìn)行彎曲，實(shí)現(xiàn)全向彎曲運(yùn)動(dòng).氣室編號(hào)及彎曲角度示意圖如圖4(b)所示.當(dāng)1號(hào)氣室進(jìn)行充氣時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(hào)氣室充氣時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(hào)氣室和2號(hào)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(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是基于自身的全向彎曲運(yùn)動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于彎曲角度的連續(xù)變化.驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器頂部的運(yùn)動(dòng)軌跡恰好是一個(gè)圓，但這種形式的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不適用于多地形運(yùn)動(dòng).以驅(qū)動(dòng)器的軸線(紅色曲線)為參考系，則整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)可以被看作為繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 如圖6(b)所示.旋轉(zhuǎn)軸的彎曲程度可通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的彎曲角度來進(jìn)行控制.

圖5 驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of rotary movement of straight-through actuator

基于上述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和彎曲運(yùn)動(dòng)，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器具備多地形運(yùn)動(dòng)能力.在平地、沙地、草坪、斜坡等地形進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器與環(huán)境之間的接觸壓力由重力提供.在爬管運(yùn)動(dòng)時(shí)需要通過直通式驅(qū)動(dòng)器的彎曲產(chǎn)生接觸壓力.驅(qū)動(dòng)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(dòng)器豎直爬管運(yùn)動(dòng)過程的受力情況如圖7所示.其中：Mr為直通式驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)力矩；G為直通式驅(qū)動(dòng)器受到的重力；Fc為直通式驅(qū)動(dòng)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(dòng)器截面圓心指向管壁的法向方向；Fn為管道對(duì)直通式驅(qū)動(dòng)器的反作用力；Ff為直通式驅(qū)動(dòng)器與管道外壁之間的靜摩擦力；r0為直通式驅(qū)動(dòng)器的外徑.

圖7 直通式驅(qū)動(dòng)器豎直爬管運(yùn)動(dòng)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(dòng)器質(zhì)量；g為重力加速度；μ為直通式驅(qū)動(dòng)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(dòng)有3個(gè)要點(diǎn)：① 增大直通式驅(qū)動(dòng)器和管道壁之間的摩擦因數(shù)；② 增大直通式驅(qū)動(dòng)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(dòng)器要能夠輸出足夠的旋轉(zhuǎn)力矩.其中，直通式驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)滿足爬管條件.

圖8 雙模塊軟體機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of dual modular soft robot climbing

3 雙模塊軟體機(jī)器人步態(tài)控制方法

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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單快速地實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)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(duì)氣室氣壓的間接控制，通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)波對(duì)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(zhǎng)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(cè)試，當(dāng)PWM波的頻率低于30 Hz時(shí)，氣室內(nèi)氣壓的抖動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)各氣室進(jìn)行充氣測(cè)試，得到了驅(qū)動(dòng)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(hào)完全相同，因此運(yùn)動(dòng)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(hào)氣室的分布與另一軟體模塊的 5～8 號(hào)氣室相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)爬管運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響.

多地形運(yùn)動(dòng)都可采用如圖11所示的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，只需在步態(tài)周期開始前對(duì)輸入氣壓進(jìn)行調(diào)整即可.

4 軟體機(jī)器人多地形運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

4.1 轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)

雙模塊軟體機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)單模塊驅(qū)動(dòng)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(dòng)過程如圖13所示.轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)過程Fig.13 Turning movement process of dual modular soft robot

4.2 爬管實(shí)驗(yàn)

雙模塊軟體機(jī)器人通過自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)垂直爬管運(yùn)動(dòng)，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(dòng).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(dòng)速度Tab.2 Vertical movement speed in different climbing environments

4.3 爬坡試驗(yàn)

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(dòng)雙模塊軟體機(jī)器人完成爬坡運(yùn)動(dòng)，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(dòng)過程Fig.15 Process of slope-climbing

4.4 越障實(shí)驗(yàn)

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(dòng)，以研究其在復(fù)雜地形中的移動(dòng)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(cè)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(dòng)速度Tab.3 Movement speed in different terrains

圖16 碎石路面運(yùn)動(dòng)測(cè)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

5 結(jié)語

本文提出了一種新穎的具備多地形運(yùn)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成；建立全向彎曲軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲模型，分析了全向彎曲軟體驅(qū)動(dòng)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(dòng)模式，該機(jī)器人能通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式在多種復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)；針對(duì)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(jiǎn)單快速地實(shí)現(xiàn)多地形運(yùn)動(dòng)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(dòng)，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，在管道檢測(cè)和復(fù)雜地形探測(cè)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.