薄片式軟體爬行機器人

張 彬， 劉學(xué)婧， 蘇 倩， 陳 琛， 黃修軍, 王思清， 邢 宇,2*

(西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710600；2.西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

機器人的設(shè)計及優(yōu)化一直以來是世界各國學(xué)者研究的重要領(lǐng)域之一，也是現(xiàn)代國民工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)全面自動化的助力因素。我們?nèi)粘Ｒ姷降亩嗍莿傂詸C器人，大多有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較高的能耗及較差的適應(yīng)性。為彌補剛性機器人的不足提出了軟體機器人的概念。軟體機器人作為一類新型機器人，具有結(jié)構(gòu)柔軟度高、環(huán)境適應(yīng)性好、親和性強和功能多樣等特點，它由完全軟材料或部分軟材料加工而成，自身可連續(xù)變形，與剛性機器人相比具有更高的柔順性、安全性和適應(yīng)性。其在復(fù)雜易碎品抓持和狹小空間作業(yè)等方面具有不可比擬的優(yōu)勢[1]，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，與人類的交互也更安全[2]。

其中仿生軟體機器人通過模仿自然界生物的結(jié)構(gòu)、動作，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，在偵查、救援、檢修和醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[3];各種軟體機器人功能和作用不同，一些軟體機器人模仿自然生物的運動姿態(tài)能實現(xiàn)身體的高曲率彎曲和扭轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出對外界環(huán)境的適應(yīng)性[4-5]。例如：通過介質(zhì)彈性體人造肌肉產(chǎn)生軟體機器人身體的快速周期性變形，結(jié)合靜電吸附足，可使軟體機器人能夠粘附在墻上的軟壁攀爬機器人[6]；通過電磁驅(qū)動的一種可重構(gòu)的軟壁爬壁機器人[7]；以壁虎為啟發(fā)的能夠爬傾斜的平坦表面的軟體機器人等[8]。

課題組設(shè)計了一種采用介電彈性體智能材料(dielectric elastomer，簡稱 DE)驅(qū)動的薄片式蠕動爬行機器人。薄片式爬行機器人可以在高度僅為17 mm的狹小縫隙中進行爬行，并攜帶微型攝像頭進行探索，或攜帶超聲波等探傷工具進行特殊工況的探傷(如進行管道探測或?qū)τ谟休^長縫隙的復(fù)雜零件進行深入探測或探傷)。課題組通過實驗討論電壓頻率、電壓幅值及剪切條數(shù)量對機器人爬行速度的影響，得到了其最大爬行速度、最高承載能力和最大爬坡角度等主要技術(shù)參數(shù)。

1 軟體爬行機器人的結(jié)構(gòu)與原理

基于介電彈性體薄膜純剪切形式下在外加電場的激勵下能產(chǎn)生較大變形的特性，并利用彈簧進行儲能，設(shè)計了一種薄片式蠕動爬行機器人，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該軟體機器人主要由1個DE驅(qū)動器和2個單向摩擦片組成。其中DE驅(qū)動器作為變形主體，單向摩擦片作為機器人的足部。

圖1 軟體爬行機器人的結(jié)構(gòu)與原理Figure 1 Structure and principle of soft crawling robot

圖1中DE驅(qū)動器由電極、DE薄膜和多個剪切條組成。此處DE薄膜采用3M公司的VHB4910膠帶，為提升DE薄膜的穩(wěn)定性對其進行了等雙軸4倍拉伸，為了提升其輸出力且不增加驅(qū)動電壓，采用了2片薄膜3片電極呈三明治結(jié)構(gòu)進行疊層貼附。原則上，當DE薄膜的拉伸狀態(tài)遠小于極限拉伸時，通過束縛住y軸方向上的預(yù)拉伸，會使得x軸方向的驅(qū)動應(yīng)變越大[9-10]，故采用多個剪切條平行等距地貼附于驅(qū)動器上、下表面，使得薄膜在y軸方向長度與剪切條長度保持一致，束縛住已在y軸方向預(yù)拉伸過的薄膜，以得到較大的x軸方向的應(yīng)變。經(jīng)預(yù)拉伸過薄膜放松后，只能延x軸方向收縮，隨著在DE驅(qū)動器上施加交變的電壓，在彈簧及DE薄膜電學(xué)特性的作用下，驅(qū)動器延x軸方向進行伸縮運動。

具體制作方法如下:首先在拉伸裝置上對DE薄膜進行拉伸，初始膜尺寸為邊長為80 mm的正方形，拉伸后為邊長為320 mm的正方形。其次采用剛性框架貼于膜上、下表面用來限制住膜的拉伸，并將框架和框架內(nèi)的薄膜從整張薄膜中裁剪下來，接著對框架內(nèi)的薄膜進行電極的貼附并引出導(dǎo)線，按照2片薄膜3片電極呈三明治結(jié)構(gòu)進行疊層貼附，并在此驅(qū)動器上下表面使用硅橡膠粘結(jié)劑貼附剪切條，用以約束住y軸方向的預(yù)拉伸，如圖1所示，形成DE驅(qū)動器作為爬行機器人的主體。將DE驅(qū)動器安裝在準備好的外殼上，并在兩側(cè)安裝壓縮彈簧，整體從剛性框架上取出。

由于DE驅(qū)動器的變形，使得雙腳和基底之間產(chǎn)生了相同的摩擦，導(dǎo)致雙腳對稱運動，無法推動機器人前進。這里我們采用單向摩擦片(前進摩擦小，后退摩擦大)附著在機器人外殼底部作為其足的方式。

由于薄膜柔軟的特性只能輸出拉力，故在兩側(cè)引入彈簧，使彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧的彈力與薄膜的彈力達到平衡。在加電的狀態(tài)下薄膜豎直方向伸長釋放彈簧儲存的彈力，使得機構(gòu)可以輸出一個向前的推力，斷電后薄膜靠自身的彈性回縮，此時產(chǎn)生一個拉力。在周期性電壓激勵下爬行機器人整體表現(xiàn)為伸縮運動。在通電時爬行機器人整體伸展時，前腳向前阻力小，使前腳向前；在斷電時爬行機器人整體收縮后腳向前阻力小，使后腳向前完成一個爬行循環(huán)。

2 爬行機器人性能測試實驗

因為不同的參數(shù)設(shè)置對機器人的爬行速度有很大影響，通過實驗的方式進行了具體的分析。施加的電壓由臺式電源(Trek 10/10B-HS)提供，脈沖持續(xù)時間由波形發(fā)生器(Agilent 33220A)輸入[11]；實驗測試使用的壓縮彈簧為線徑0.3 mm，外徑4 mm的碳鋼彈簧；摩擦片采用滌綸絲布片；外殼及剪切條均采用亞克力板切割而成；DE膜厚度為1 mm；電極是導(dǎo)電聚合物膠帶，型號EL8006。

實際采用的彈簧原長為50 mm，壓縮后的長度為35 mm；摩擦片的尺寸為40 mm×25 mm；電極選用導(dǎo)電聚合物膠帶(型號EL8006)，電極尺寸即有效驅(qū)動區(qū)域為40 mm×40 mm；剪切條的長、寬、高分別為42，2和1 mm；所組裝的機器人整體尺寸為100 mm×65 mm×15 mm；質(zhì)量為34.7 g，如圖2所示。機器人爬行時足部的接觸表面為離型紙粗糙面。

圖2 設(shè)備和實物Figure 2 Equipment and physical objects

2.1 不同頻率的電壓信號對爬行速度的影響

采用不同頻率的電壓進行驅(qū)動會導(dǎo)致DE驅(qū)動器伸縮速率的變化，從而影響爬行機器人的運動速度。在加載交變電壓下，較低頻率時DE驅(qū)動器有著較大的變形，較高頻率時DE驅(qū)動器由于快速充、放電會產(chǎn)生高頻的震動，在此，測試采用的是幅值為5 000 V的正弦波，頻率范圍為0.1～25.0 Hz，如圖3所示。

圖3 正弦波信號Figure 3 Sine wave

剪切條數(shù)量為3,7和11時軟體爬行機器人在不同頻率下速度的變化趨勢如圖4所示。從圖中可知不同數(shù)量剪切條在不同頻率時機器人的速度變化展現(xiàn)出一致性。爬行機器人的速度隨頻率的增加而增大，在頻率達到12.5 Hz后速度趨于平穩(wěn)。3條速度曲線相比較，剪切條數(shù)量為7的爬行機器人的速度最優(yōu)，在電壓幅值5 000 V、頻率25 Hz的正弦波的驅(qū)動下最快速度可達4 mm/s。

圖4 軟體爬行機器人在不同頻率下的爬行速度Figure 4 Crawling velocity of soft robot at different frequencies

在較低的頻率下，DE驅(qū)動器可以充分進行充電和放電，使得一個周期內(nèi)DE驅(qū)動器的形變量較大，此時軟體機器人的爬行主要靠驅(qū)動器的伸縮運動。而在較高的頻率下，DE驅(qū)動器已不能充分地進行充電和放電，一個周期內(nèi)形變量較小但單位時間往復(fù)運動次數(shù)多，此時軟體機器人的爬行除了DE驅(qū)動器的伸縮運動外還有DE驅(qū)動器震動的作用輔助前行。

由于所提出爬行機器人是靠單項摩擦片作為機器人的足部，故其運動速度和頻率關(guān)系較大，頻率越高其主體伸縮越快，反映到運動上就是爬行越快。當頻率到達一定值后由于主體DE驅(qū)動器無法充分充、放電使其爬行速度達到一定閾值。繼續(xù)增加頻率會導(dǎo)致震動過大影響爬行機器人運動的穩(wěn)定性。

2.2 不同數(shù)量的剪切條對爬行速度的影響

剪切條起著維持DE膜水平預(yù)拉伸的作用，剪切條數(shù)量太少不足以完全約束住DE膜的水平預(yù)拉伸，數(shù)量太多則會減少DE薄膜有效驅(qū)動面積。

測試時采用5 000 V的正弦波，機器人采用剪切條數(shù)量分別為1，3，5，7，9，11和13，測試結(jié)果如圖5所示。從圖5可知頻率為0.1 Hz時，剪切條數(shù)量的變化對速度的影響不大；在頻率為1.0，5.0和25.0 Hz時隨著剪切條數(shù)量的增加，機器人的運動速度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；在剪切條數(shù)相同時，隨著頻率的增加，機器人的運動速度隨之增加；在不同頻率時，剪切條數(shù)量為7和9的爬行機器人性能較好，有著較快的運動速度。

圖5 不同剪切條的數(shù)量與軟體機器人爬行速度的關(guān)系Figure 5 Relationship between number of different acrylic thin strips and crawling speed of soft robots

2.3 不同的電壓幅值對爬行速度的影響

電壓幅值的大小與DE驅(qū)動器的位移量有關(guān)，較高的電壓幅值可以使驅(qū)動器產(chǎn)生更大的變形。根據(jù)上述測試選擇7個剪切條的爬行機器人作為測試樣品，驅(qū)動信號采用25 Hz正弦波。

如圖6所示，軟體機器人的爬行速度隨電壓幅值的升高而增加，在6.0～7.5 kV段曲線上升加快，說明運動速度提高，在7.5 kV時軟體機器人的爬行速度可達46.6 mm/s。

圖6 不同電壓幅值下軟機器人的運動速度Figure 6 Movement speed of soft robot under different voltage amplitudes

測試過程中發(fā)現(xiàn)，電壓低于4 000 V時，DE致動器變形較小，不足以驅(qū)動軟體機器人的爬行運動(電壓幅值太小使驅(qū)動器變形較小，不足以克服向前的摩擦力)；電壓高于7 500 V時會導(dǎo)致軟體機器人運動不平穩(wěn)。

2.4 爬行機器人的負載能力和爬坡能力

在提升機器人的爬坡能力和負載能力方面，根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)可知使用較高的電壓幅值和較低的頻率驅(qū)動效果更好。較高的電壓幅值可以驅(qū)動DE執(zhí)行器產(chǎn)生更大的變形，釋放更大的彈簧力以產(chǎn)生更大的驅(qū)動力。低頻信號驅(qū)動可以有效避免振動，使執(zhí)行器完全伸縮變形，從而產(chǎn)生更大的驅(qū)動力。試驗采用電壓為7 500 V，頻率為1 Hz的正弦波，對剪切條數(shù)量為7的爬行機器人進行了測試。最大載荷為60 g、以4.44 mm/s的速度在平面爬行的測試如圖7所示；在15°坡面以5 mm/s的速度空載爬行的測試如圖8所示；機器人表現(xiàn)出良好的承載能力和爬坡能力。爬行機器人的運動過程如圖9所示。

圖7 軟機器人負載測試Figure 7 Load test of soft robot

圖8 攀爬能力測試Figure 8 Climbing ability testing

圖9 爬行機器人的運動過程Figure 9 Movement process of crawling robot

3 結(jié)論

課題組設(shè)計了一種基于介電彈性體智能材料驅(qū)動的薄片式軟體爬行機器人，可以在高度僅為17 mm的狹小縫隙中進行爬行，文中介紹了軟體爬行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理，并以實驗的方式測試了各個變量對軟體爬行機器人性能的影響。

實驗所得的數(shù)據(jù)表明：在提升機器人爬行速度方面，可通過選取更高頻率的加載電壓、更高的電壓幅值以及合適數(shù)量的剪切條個數(shù)的方式來實現(xiàn)；在提升爬坡能力和負載能力方面，可通過降低電壓頻率和提升電壓幅值來實現(xiàn)?？傮w而言，所提出的軟體爬行機器人的運動與蠕蟲的爬行運動相似，速度較為靈活，能夠根據(jù)輸入的電壓波形來實現(xiàn)無級變速爬行，根據(jù)需求以不同的平穩(wěn)速度進行爬行，針對需要快速移動的場合其最高速度可以達到46.6 mm/s。針對有一定坡度的路況或需要負載的場合其能夠做到在15°的坡道上行進及能夠承載60 g的質(zhì)量穩(wěn)定爬行。與同等體積下的同類軟體機器人相比性能優(yōu)異，足以負載起市面上常見的微型攝像頭及探傷探頭等工具，而且它的高度尺寸小，可以通過17 mm的狹窄縫隙，在一些過于狹小的空間等人工無法直接作業(yè)的環(huán)境，進行探測或探傷。

該研究結(jié)果局限于2層DE膜制成的爬行機器人，通過改變DE膜層數(shù)和彈簧剛度可以獲得更快的爬行速度及更高承載能力的軟體爬行機器人。