TMP 折紙防護的雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人1)

劉 杰 李志勇 何俊峰 文桂林,2) 王洪鑫 田 陽

* (燕山大學(xué)機械工程學(xué)院河北省輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備工藝技術(shù)創(chuàng)新中心,河北秦皇島 066004)

? (廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院,廣州 510006)

引言

傳統(tǒng)剛性機器人已經(jīng)在諸多工程領(lǐng)域發(fā)揮了重要的價值,然而,諸如人機交互安全性差、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)能力弱、主體結(jié)構(gòu)笨重等系列問題亟需進一步得到解決.而軟體機器人由低楊氏模量和高柔韌性的軟體材料構(gòu)成,具有變形大、輕質(zhì)、人機交互性好和可在狹小空間作業(yè)等優(yōu)點,有解決上述難題的潛力[1-6].

智能材料驅(qū)動和流體驅(qū)動是軟體機器人的兩種有效驅(qū)動方式[7-11].智能材料驅(qū)動作為一種新型的驅(qū)動方式,可以進一步增加軟體機器人的集成化和智能化,但也存在精度不足、驅(qū)動復(fù)雜、控制難度大等問題.氣驅(qū)動作為流體驅(qū)動的一種常見形式,具有結(jié)構(gòu)簡單、高功率重量比、較好的順應(yīng)性等優(yōu)點,是目前使用最為廣泛的一種軟體機器人驅(qū)動方式.例如,Shepherd 等[12]較早地利用氣體驅(qū)動方式研發(fā)了一種多步態(tài)軟體機器人,通過簡單的驅(qū)動實現(xiàn)了復(fù)雜的運動特性.最近,通過融合硬軟結(jié)構(gòu)的預(yù)扭轉(zhuǎn)管,Oh 等[13]開發(fā)了一種新型氣動扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器,可以實現(xiàn)類人前臂的功能.然而,現(xiàn)有大多數(shù)軟體機器人的移動速度較慢,難以滿足類如災(zāi)區(qū)救援等作業(yè)環(huán)境的時效性.Tang 等[14]開發(fā)了一種仿獵豹四足軟體機器人,該機器人利用氣驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),實現(xiàn)了快速奔跑的能力.

作為具有快速奔跑能力的軟體機器人驅(qū)動器,常見的氣動人工肌肉[15-17]和流體彈性體驅(qū)動器[18-19]在復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)時,軟體材料很容易被外界物體(如荊棘、碎玻璃等)扎破,致使氣路漏氣,導(dǎo)致驅(qū)動效率降低,甚至無法驅(qū)動.為應(yīng)對該類情形,軟體機器人的軟體材料需得到有效的防護.考慮到軟體機器人的運動特點和功能需求,防護結(jié)構(gòu)需要具備輕質(zhì)、良好柔韌性、一定剛度和協(xié)同大變形的特點.而折紙結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、“剛?cè)岵钡葍?yōu)點,近年來在機器人、超材料和可展機構(gòu)等大量領(lǐng)域得到了廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用[20-23],是一種潛在的解決方法.因此,根據(jù)軟體機器人軟體結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型,可在空間數(shù)學(xué)關(guān)系的引導(dǎo)下,通過在預(yù)定折痕處次序折疊,將二維薄板結(jié)構(gòu)折疊成三維的軟體機器人防護結(jié)構(gòu)[24-25].折紙結(jié)構(gòu)可在軟體機器人移動過程中協(xié)同變形,實現(xiàn)對軟體材料防護的同時,又最大限度地減小對軟體機器人運動的影響.

針對上述問題,本文提出一種TMP (Tachi-Miura polyhedron)折紙防護的氣動雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人.通過氣壓驅(qū)動越過雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的能量壁壘,實現(xiàn)軟體機器人的快速奔跑,并利用TMP 折紙結(jié)構(gòu)作為軟體機器人外殼,為軟體機器人提供防護,進一步提升其在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)能力.提出基于分段常曲率法的TMP 折紙防護軟體機器人運動學(xué)建模方法,量化運動形態(tài)與彎曲角度之間的關(guān)系,開展實驗驗證.制備軟體機器人樣機,并開展一系列實驗測試,證實所提TMP 折紙防護軟體機器人的快速運動、抵抗環(huán)境破壞能力以及復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境運動能力,以期為災(zāi)區(qū)救援、星球探索等領(lǐng)域復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)機器人的研發(fā)提供理論指導(dǎo).

1 TMP 折紙防護軟體機器人設(shè)計

1.1 軟體機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人主要由軟體脊柱、TMP 折紙外殼、拉簧、前腳和后腳組成,如圖1 所示.軟體脊柱中有上、下兩個氣路腔體,向下腔體中施加氣壓,可驅(qū)動其向上彎曲變形;反之,向下彎曲.通過周期性對上、下腔體施加氣壓,TMP折紙外殼協(xié)同軟體脊柱周期性上、下彎曲.

圖1 TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Design of TMP origami-shell reinforced bistable soft robot

軟體機器人兩側(cè)各有一個拉簧,拉簧的兩端固定在前、后腳兩側(cè)的螺栓上.拉簧只發(fā)生拉伸變形,并與軟體脊柱、TMP 折紙外殼共同組成雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng).軟體脊柱在周期性氣壓驅(qū)動彎曲變形過程中,拉簧同步周期性快速儲存和釋放彈性能,釋放的彈性能驅(qū)動軟體機器人形態(tài)發(fā)生快速變化,為軟體機器人的快速奔跑提供輔助動力,從而使軟體機器人獲得較高瞬時速度.

前、后腳均包括肩部和腳部,如圖2 所示,肩部連接軟體機器人各部分,腳部通過螺栓與肩部連接并與地面接觸,為軟體機器人提供支撐力和運動所需的摩擦力.通過設(shè)計前、后腳腳部與地面接觸角度的不同,使后腳在軟體機器人向前運動時起單向錨定作用,為軟體機器人向前運動提供有效摩擦力,而前腳僅起支撐作用.

圖2 前、后腳結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Design of front and rear feet

考慮到軟體脊柱及TMP 折紙外殼的協(xié)同變形對軟體機器人的運動性能起主導(dǎo)地位,因此接下來詳述軟體脊柱和TMP 折紙外殼的幾何設(shè)計.

1.2 軟體脊柱幾何設(shè)計

軟體脊柱由軟體材料組成,內(nèi)部設(shè)有上、下兩個截面為矩形的氣腔(簡稱矩形氣腔)和柱體局部支撐,如圖3 所示.其中,L,W和H分別為軟體脊柱外部尺寸的長、寬和高;l和w為矩形氣腔的長和寬;a和c為氣腔外表面厚度以及上下氣腔之間分隔層厚度;D和h為圓柱形氣孔的直徑和長度;b,d和β分別為柱體頭部高度、柱體直徑以及柱體擴角;m和n為柱體陣列行數(shù)以及列數(shù).矩形氣腔通過圓柱形氣孔與外界氣動裝置相連.在矩形氣腔內(nèi)部沿長度方向上周期陣列柱體局部支撐,以約束矩形氣腔外壁,在氣壓較大時緩解其局部失穩(wěn)變形.柱體局部支撐由頭部圓臺體和底部圓柱體組成,圓臺可在約束較大面積的腔體外壁的前提下為腔體內(nèi)部留出足夠的空間供氣體進入.圖4 展示了矩形氣腔(圖4(a))和融合柱體局部支撐的矩形氣腔(圖4(b))在較大氣壓下的局部失穩(wěn)現(xiàn)象,可見,本文所提策略可以有效緩解軟體脊柱局部失穩(wěn).

圖3 軟體脊柱幾何設(shè)計Fig.3 Design of soft spine

圖4 軟體脊柱局部失穩(wěn)問題Fig.4 Local buckling of soft spine

1.3 TMP 折紙外殼幾何設(shè)計

TMP 折紙外殼由二維折痕圖次序折疊后組裝而成,如圖5 所示.二維單胞(圖5(a))在高度方向進行周期陣列,個數(shù)為N,形成二維折痕圖(圖5(b)),二維折痕圖在折痕處次序折疊得到TMP 折紙結(jié)構(gòu),其為TMP 折紙外殼的一半(圖5(c)),鏡像對稱后得到另一半TMP 折紙外殼,將其翻轉(zhuǎn)并將兩半連接一起,形成TMP 折紙外殼.其中,lA,lB和lC分別表示二維單胞三條谷折、山折和谷折的長度,lD為二維單胞高度的一半.

圖5 TMP 折紙外殼設(shè)計: (a)二維單胞;(b)二維折痕圖設(shè)計;(c)TMP 折紙結(jié)構(gòu);(d)TMP 折紙外殼Fig.5 Design of TMP origami-shell: (a)2D unit cell;(b)Design of 2D crease pattern;(c)TMP origami structure;(d)TMP origami-shell

2 軟體機器人樣機制備

2.1 軟體脊柱制備

由于硅橡膠具易于成型、耐熱性、耐寒性和穩(wěn)定性等優(yōu)點,本文采用硅橡膠制備軟體脊柱.其制作步驟如圖6 所示.

圖6 軟體脊柱制備流程Fig.6 Preparation process of soft spine

(1)將軟體脊柱分為上、中、下3 層.以上腔體內(nèi)柱體頭部圓臺體及以上為上層,下腔體內(nèi)柱體頭部圓臺體及以下為下層,其余部分為中層.按L=180 mm,W=50 mm,H=25 mm,l=152.5 mm,w=42.5 mm,a=4 mm,c=3 mm,D=8 mm,h=22.5 mm,b=3.5 mm,d=8 mm,β=20°,m=3,n=10,設(shè)計各層所需模具,并利用3D 打印技術(shù)進行制備.

(2)按比例1:1 分別取適量PSS6600 硅橡膠A、膠B,將其混合、攪拌后靜置一段時間,待排出膠液中的氣泡后再灌注進模具之中,完成注膠和合模,并通過螺栓螺母固定模具,放于平臺上靜置24 h.

(3)待硅橡膠液凝固后擰下螺栓,部分脫模后在各層之間補加膠液,通過膠液將3 層軟體黏合,并使用螺栓螺母固定黏合模具,放于平臺上靜置24 h.

(4)待硅橡膠液凝固后擰下螺栓,進行完全脫模,取出完整的軟體脊柱.修剪掉多余硅橡膠,得到最終的軟體脊柱.

選用3 種硅橡膠按照圖6 流程制備3 種軟體脊柱,邵氏硬度分別為10,20 和30.分別向軟體脊柱中通入0.056 MPa 氣壓,發(fā)現(xiàn)3 種軟體機脊柱分別發(fā)生了120°,35°和20°的彎曲變形,如圖7(a)～圖7(c)示.考慮到軟體脊柱需要軟硬適中,本文選擇邵氏硬度20 的硅橡膠.

2.2 TMP 折紙外殼及軟體機器人樣機制備

聚丙烯(PMMA)具有輕質(zhì)、易加工、柔韌性好和價格低等優(yōu)點,本文選擇厚度為0.25 mm 的PMMA 薄板來制備TMP 折紙外殼.根據(jù)lA=17 mm,lB=40 mm,lC=32 mm,lD=18 mm,N=12,利用激光切割出TMP 二維折痕圖,并折疊兩個TMP 折紙結(jié)構(gòu),再將兩者粘接得到TMP 折紙外殼,如圖8 所示.

圖8 TMP 折紙外殼制備Fig.8 Preparation of TMP origami-shell

利用3D 打印制備前腳和后腳,將軟體脊柱嵌入前后腳之間,并使用螺栓連接各部分.隨后,分別在軟體脊柱上、下腔體圓柱形氣孔處連接外部氣管,與外部氣源連接形成上、下氣路,最終,得到如圖9所示TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人樣機.

圖9 TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人樣機Fig.9 Prototype of TMP origami-shell reinforced bistable soft robot

3 氣驅(qū)動軟體脊柱變形研究

3.1 硅橡膠本構(gòu)模型

軟體脊柱是軟體機器人變形的主要部分,需要探究構(gòu)成軟體脊柱硅橡膠材料的本構(gòu)方程.采用Yeoh 超彈性模型描述硅橡膠材料的超彈性特性.其應(yīng)變能密度函數(shù)為[26]

式中,M,Ci0和Dk為輸入?yún)?shù);I1是應(yīng)變張量第一不變量;λ1,λ2和λ3為3 個方向上的主變形率;材料的初始剪切模量為2C10,初始體積模量為2/D1;J是變形后與變形前的體積比,當材料不可壓縮時J=1.實際應(yīng)用中M一般最多取到3.本研究中認為所使用的硅橡膠材料不可壓縮,取M=2,得到簡化二階Yeoh 超彈性模型應(yīng)變能密度函數(shù)表達式為

使用Yeoh 模型描述硅橡膠超彈性需要明確C10和C20的值.本文借助材料單軸拉伸實驗以及ABAQUS Property 模塊中的參數(shù)擬合功能求解所用邵氏硬度20 的硅橡膠的C10和C20.根據(jù)GB/T 528-2009 標準,硅橡膠材料拉伸試樣的尺寸如圖10(a)所示.與圖6 軟體脊柱制備流程類似,制備硅橡膠試樣,具體步驟可參見圖10(b).

圖10 硅橡膠拉伸試樣Fig.10 Sample of silicone rubber

利用電子萬能試驗機對多組硅橡膠試樣進行重復(fù)拉伸實驗測試,拉伸速度為300 mm/min,如圖11.通過ABAQUS Property 模塊對測得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合,得到C10=0.081 88 和C20=0.001 98,見圖12,進而確定了描述硅橡膠的二階Yeoh 超彈性模型.

圖11 硅橡膠拉伸試驗設(shè)置Fig.11 Setting of silicone rubber tensile test

圖12 參數(shù)擬合結(jié)果Fig.12 Result of parameter fitting

3.2 軟體脊柱氣壓形變實驗與仿真

在上述本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,進一步利用實驗和仿真方法探究軟體脊柱在不同氣壓下變形情況,如圖13 所示.圖13(a)～圖13(f)分別表示了輸入氣壓為0.03,0.05,0.056,0.063,0.067 和0.07 MPa 時軟體脊柱的彎曲形態(tài)(上側(cè)為實驗結(jié)果;下側(cè)為仿真結(jié)果),發(fā)現(xiàn)兩種方法具有良好的一致性.圖14 給出了不同氣壓驅(qū)動下兩種方法得到的軟體脊柱的彎曲角度,分別為(15°,8.79°),(25°,22.6°),(35°,30°),(45°,43.6°),(55°,56.5°)和(65°,72.4°),其中,括號中前項為實驗結(jié)果,后項為仿真結(jié)果.可見,除了在較小氣壓下,實驗和仿真方法得到彎曲角度有較大差別,其他情況下結(jié)果較為接近,且總體變化趨勢一致,進一步證實了硅橡膠本構(gòu)模型的正確性.產(chǎn)生誤差的原因可能是仿真模型所使用材料模型的偏差以及實驗過程中的人為誤差等[27].

圖13 不同氣壓驅(qū)動下軟體脊柱變形形態(tài)(上: 實驗,下: 仿真)Fig.13 Deformation form of soft spine in different pressure (top:experiment,bottom: simulation)

圖13 不同氣壓驅(qū)動下軟體脊柱變形形態(tài)(上: 實驗,下: 仿真)(續(xù))Fig.13 Deformation form of soft spine in different pressure (top:experiment,bottom: simulation)(continued)

圖14 不同驅(qū)動氣壓下軟體脊柱的彎曲角度Fig.14 Bending angle of soft spine in different pressure

3.3 雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能量曲線

雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的能量Ut由軟體脊柱的應(yīng)變能Ua、拉簧的拉伸能量Us和TMP 折紙外殼的應(yīng)變能Uo構(gòu)成,即

軟體脊柱的應(yīng)變能Ua由彎曲能Ub1和伸長能Ue1貢獻

其中,Ea和Ia為軟體脊柱等效彈性模量和慣性矩,將其等效為實心長方體;K為彎曲曲率.且有

TMP 折紙外殼的應(yīng)變能Uo由折紙外殼彎曲能Ub2和伸長能Ue2貢獻

式中,Eo和Io為TMP 折紙外殼等效彈性模量和慣性矩,將其等效為實心長方體,且有

拉簧的拉伸能量

式中,k和Δx為拉簧剛度以及初始伸長量.由硅橡膠材料體積不可壓縮性可知

聯(lián)立式(2)～式(16),軟體脊柱材料參數(shù)由圖12確定,并保證硅橡膠總體積不變.取Wa=38 mm,Ha=19 mm,Wo=40 mm,Ho=28 mm,k=0.5 N/mm和Δx=150 mm.圖15(a)和15(b)分別為TMP 折紙外殼等效彈性模量Eo=1 MPa 和Eo=0.8 MPa 時各部分的能量曲線隨彎曲角度的變化規(guī)律.由圖可知,軟體機器人系統(tǒng)分別在63°和-63°、67°和-67°處有兩個能量勢阱,意味著取不同的Eo時,軟體機器人均有兩個穩(wěn)態(tài)點.

圖15 軟體機器人雙穩(wěn)態(tài)能量曲線Fig.15 Bistable energy curve of soft robot

4 軟體機器人運動學(xué)分析

以二維平面運動模型來分析TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人的運動特性,見圖16(a).將前腳和后腳簡化為直線,且腳部長度為f.設(shè)腳部與地面接觸的一端為末端,與軟體脊柱連接的一端為始端,以O(shè)為坐標原點的基坐標系位于后腳末端,并在前后腳的末端分別建立以O(shè)3和O0為坐標原點的局部坐標系.O0位于后腳部末端,坐標軸x0與腳部平行,方向從腳部始端指向末端,坐標軸z0垂直于x0,坐標軸y0由右手定則確定;同理,建立以O(shè)3為坐標原點的局部坐標系.設(shè)軟體脊柱與前后腳連接處分別為末端和始端并建立以O(shè)2和O1為坐標原點的局部坐標系,原點O1位于始端面中心,坐標軸z1垂直于始端面,x1指向彎曲方向,y1由右手定則確定;同理,建立以O(shè)2為坐標原點的局部坐標系.此時,后腳末端相對于基座標系的變換矩陣和前腳末端相對于軟體脊柱末端的變換矩陣可分別表示為

圖16 軟體機器人運動學(xué)模型Fig.16 Kinematic model of soft robot

利用分段常曲率法[28-30],假定軟體脊柱彎曲過程中近似為曲率恒定的連續(xù)圓弧,且TMP 折紙外殼與軟體脊柱協(xié)同運動,如圖16(b)所示.軟體脊柱的彎曲形態(tài)可由彎曲角度θ和扭轉(zhuǎn)角度φ來描述,分別表示軟體脊柱彎曲程度和扭轉(zhuǎn)程度.將圖16(b)模型映射至二維平面得到圖16(c),設(shè)l為軟體脊柱對應(yīng)圓弧的曲率半徑,d為兩坐標系原點之間距離.

軟體脊柱末端相對于始端的位姿可以用從以O(shè)1為坐標原點的坐標系到以O(shè)2為坐標原點的坐標系的齊次變換矩陣表示,具體步驟為: (1)沿O1O2連線平移d;(2)繞z1軸旋轉(zhuǎn)φ角;(3)繞y1軸旋轉(zhuǎn)θ角;(4)繞z1軸旋轉(zhuǎn)-φ角.最終得到齊次變換矩陣為

其中,Trans表示平移變換矩陣;Rot表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣;sφ,cφ,sθ和cθ分別表示sinφ,cosφ,sinθ和cosθ.

軟體機器人的運動學(xué)模型為

由式(21)得到的軟體機器人運動學(xué)模型分析其一個運動周期的運動姿態(tài),并與實驗測試進行對比.選取兩個典型狀態(tài),即兩個穩(wěn)態(tài)工況,進行研究,如圖17 所示,實驗測得所對應(yīng)的角度分別為72°和-78°.這里需要指出的是,考慮到加工和組裝誤差,兩個雙穩(wěn)態(tài)點對應(yīng)的角度并不對稱.通過圖17 可以發(fā)現(xiàn),在圖17(a)所示第1 個穩(wěn)態(tài)工況,TMP 折紙防護軟體機器人的中心線理論上是兩個斜線和一個圓弧的“類蘑菇”構(gòu)型,而實驗測試結(jié)果與理論解有少許偏差,這可能由軟體脊柱的局部失穩(wěn)和TMP 折紙外殼局部變形不均勻?qū)е?圖17(b)展示了另一個穩(wěn)態(tài)工況,此時,TMP 折紙防護軟體機器人的中心線為“類橋梁”構(gòu)型,且理論和實驗結(jié)果具有良好的一致性.

圖17 軟體機器人形態(tài)理論和實驗對比Fig.17 Comparison of theory and experiment of soft robot

以后腳末端為原點,借助建立的運動學(xué)模型和實驗研究軟體機器人在一個運動周期,軟體脊柱始端O1、軟體脊柱末端O2和前腳末端O3這3 點沿x方向的位移,以及軟體脊柱末端O2沿z方向的位移與軟體脊柱彎曲角度的關(guān)系,如圖18 所示.圖18(a)為軟體脊柱始端O1在x方向位移,可見,在一個運動周期,軟體脊柱在-88°～88°范圍內(nèi)彎曲運動,O1在x方向位移變化范圍為-69～69 mm,且位移與彎曲角度有弱非線性關(guān)系.圖18(b)為軟體脊柱末端O2在x方向的位移,在一個運動周期內(nèi),O2在x方向位移變化范圍為92～232 mm,且位移與彎曲角度有較明顯的類二次非線性關(guān)系.圖18(c)為前腳末端O3在x方向位移,O3在x方向位移在一個運動周期內(nèi)變化范圍為22～302 mm,位移與彎曲角度存在弱非線性關(guān)系.圖18(d)為軟體脊柱末端O2在z方向位移,一個運動周期內(nèi)O2在z方向位移變化范圍為71～100 mm,且位移與彎曲角度有類余弦非線性關(guān)系.通過實驗得到,在軟體機器人從第一個穩(wěn)態(tài)72°變化至第二個穩(wěn)態(tài)-78°過程中,O1,O2和O3分別在x方向變化了128 mm,127 mm 和240 mm.此外,實驗結(jié)果在理論曲線的附近有稍微波動,可能由實驗誤差與測量誤差導(dǎo)致.綜合考慮,可驗證所建立運動模型的正確性.

圖18 利用運動學(xué)模型和實驗研究軟體機器人運動位移Fig.18 Kinematic displacement study of soft robot by kinematic model and experiment

5 TMP 折紙防護軟體機器人運動性能測試

為了驗證TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人的良好運動性能,開展了系列實驗研究,以研究其抵抗極端外界環(huán)境傷害能力、運動速度和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境運動能力.

5.1 TMP 折紙外殼防護能力測試

圖19 所示為所搭建的實驗測試環(huán)境,借助膠帶將圖釘固定在硬質(zhì)板上,圖釘針頭朝上,從而模擬易發(fā)生穿刺傷害的極端危險環(huán)境.為了驗證折紙防護的有效性,分別在搭建實驗環(huán)境中測試無TMP 折紙外殼(圖19(a))和TMP 折紙外殼防護軟體機器人(圖19(b)),并對比兩種軟體機器人經(jīng)過圖釘區(qū)域后的運動性能,發(fā)現(xiàn): 無TMP 折紙外殼防護的軟體機器人受圖釘穿刺發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞,并無法繼續(xù)運動;而所提TMP 折紙外殼防護的軟體機器人無明顯傷害,仍能正常運動.因此,該實驗有效地驗證了TMP折紙外殼對軟體機器人的防護作用.

需要指出的是,本文工作選擇使用TMP 折紙結(jié)構(gòu)而非保護膜防護軟體機器人的原因有兩個: 首先,TMP 折紙結(jié)構(gòu)在運動過程中的應(yīng)變能對軟體機器人的雙穩(wěn)態(tài)能量勢阱具有較大貢獻(見圖15),而防護膜沒有抗彎剛度,無法提供必要的應(yīng)變能;其次,折紙結(jié)構(gòu)具有概念簡單、輕質(zhì)和良好的可編程特性.本文提出了一種潛在的防護軟體機器人的框架,對于其他不同幾何形狀軟體脊柱,以及具有不同的變形模式(比如扭轉(zhuǎn)等)的軟體機器人同樣具有良好的適用性.

5.2 運動速度測試

在PVC 墊板上搭建速度測試實驗環(huán)境,利用卷尺和秒表測量其運動距離和運動時間以計算軟體機器人的平均運動速度,如圖20 所示.TMP 折紙防護軟體機器人在1.55 Hz 的氣壓頻率驅(qū)動下,1.29 s 運動了420 mm,平均運動速度為325.6 mm/s,即1.81BLs-1(軟體機器人身長BL=180 mm).圖21 展示了現(xiàn)有經(jīng)典軟體機器人和剛性機器人的質(zhì)量-運動速度關(guān)系圖[31],其中,粉色三角形LEAP 為仿獵豹四足軟體機器人[14],紅色五角星代表本文TMP 折紙外殼防護軟體機器人.可以發(fā)現(xiàn),LEAP 和TMP 折紙外殼防護軟體機器人均位于軟體機器人和剛性機器人的交叉區(qū)域,屬于剛-軟耦合軟體機器人,即,既具備軟體機器人的輕質(zhì)和大變形,又具備剛性機器人運動速度快的優(yōu)點.對比LEAP,雖然TMP 折紙外殼防護軟體機器人在質(zhì)量-速度上有一定犧牲,但是具備抵抗外界堅硬鋒利介質(zhì)的能力.值得指出的是,通過改進材料制備工藝以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[32],TMP 折紙外殼防護軟體機器人的質(zhì)量-運動速度特性可以進一步得到加強.

圖20 軟體機器人運動速度測試Fig.20 Speed test of soft robot

圖21 TMP 折紙防護軟體機器人質(zhì)量-運動速度圖Fig.21 Mass-speed chart of TMP origami-shell reinforced soft robot

5.3 復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境運動能力測試

為了進一步探索TMP 折紙防護軟體機器人在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運動能力,選擇石子路、泥濘地、淺水溝、淺草地和深水池環(huán)境對軟體機器人進行運動能力測試,如圖22 所示.可以發(fā)現(xiàn),TMP折紙防護軟體機器人可以在石子路(圖22(a))、泥濘地(圖22(b))、淺水溝(圖22(c))、淺草地(圖22(d))多種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中正常運動,并分別在0.5,0.75,0.67 和0.67 Hz 氣壓頻率和0.08 MPa 的驅(qū)動氣壓下獲得了138,205.6,173.3 和144 mm/s 的平均運動速度,每周期運動氣壓做功約7.26 J.此外,在淺草地中還可以跳躍高度較小的障礙.在深水池中,TMP 折紙防護軟體機器人的前腳和后腳與水介質(zhì)進行接觸,在雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能量釋放驅(qū)動下,可以實現(xiàn)向前運動(圖22(e)).

圖22 復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境運動能力測試Fig.22 Movement capability test in complex unstructured environment

6 結(jié)論

融合折紙技術(shù)和雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),本文提出了一種TMP 折紙防護雙穩(wěn)態(tài)軟體機器人.結(jié)合實驗和有限元方法量化了軟體機器人核心變形結(jié)構(gòu)軟體脊柱的變形形態(tài)與驅(qū)動氣壓之間的關(guān)系.引入分段常曲率法,建立了TMP 折紙防護軟體機器人運動學(xué)模型,探究了軟體機器人一個運動周期的運動姿態(tài),包括軟體脊柱始端、軟體脊柱末端和前腳末端前進方向,以及軟體脊柱始末端豎直方向的位置變化,并利用實驗方法驗證了運動模型的正確性.搭建測試平臺并開展了大量實驗研究發(fā)現(xiàn):

(1)TMP 折紙防護軟體機器人可以成功經(jīng)過布置圖釘?shù)挠布埌?不發(fā)生損壞,而傳統(tǒng)軟體機器人受圖釘穿刺發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞,驗證了TMP 折紙外殼的防護作用;

(2)TMP 折紙防護軟體機器人奔跑速度為1.81BLs-1,其質(zhì)量-運動速度關(guān)系介于軟體機器人和剛性機器人交叉區(qū)域,屬于剛-軟耦合機器人,既具備軟體機器人的輕質(zhì)和大變形,又具備剛性機器人運動速度快的優(yōu)點;

(3)TMP 折紙防護軟體機器人可以成功在石子路、泥濘地、淺水溝、淺草地和深水池環(huán)境中運動,驗證了其優(yōu)良的復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運動能力.所提TMP 折紙防護軟體機器人設(shè)計策略可為災(zāi)區(qū)救援、星球探索等領(lǐng)域復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)機器人的研發(fā)提供理論指導(dǎo).

致謝

感謝羅湛騰、陳舒桐和葉敏睿在樣機制備和實驗測試中提供的幫助.