真空驅(qū)動(dòng)的柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器

浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授鄒俊的主攻方向是軟體機(jī)器人，2019年1月，Advanced Materials Technologies在封面刊登論文《真空驅(qū)動(dòng)的軟氣動(dòng)柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器，賦予軟體機(jī)器人新的功能》“Vacuum-Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators to Empower New Capabilities for Soft Robots”，他是該論文的通訊作者，文中描述了一種由真空驅(qū)動(dòng)的柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器。

該研究的立項(xiàng)起因在于，傳統(tǒng)硬體機(jī)器人的抓手如波士頓機(jī)器狗，主要依靠機(jī)械電機(jī)關(guān)節(jié)來改變其抓取方向，而軟體機(jī)器人卻缺少類似的“柔性關(guān)節(jié)”，因此靈活性會(huì)受限。

雖然已有部分軟體機(jī)器人擁有柔性抓手，但普遍比較“死板”，比如只有物體處于特定擺放角度才能被抓手抓住，因此柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)非常有必要。

基于此，鄒俊開始投入研究，一開始他們?cè)岢鲆环N剛?cè)峤Y(jié)合的設(shè)計(jì)方案——在執(zhí)行器的4條棱邊中，插入四根由PLA（Polylactic acid，聚乳酸）制作的傾斜桿，執(zhí)行器氣室被抽成真空后，就會(huì)沿著桿的傾斜方向扭轉(zhuǎn)。

但在操作中，執(zhí)行器的四根桿被意外掰斷，鄒俊索性將錯(cuò)就錯(cuò)，做出一個(gè)沒有桿支撐的柔性關(guān)節(jié)，結(jié)果效果反而比想象中更好。

不久后，他的最終方案成型，即用一個(gè)真空驅(qū)動(dòng)的柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器（V -SPTA，Vacuum-Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators）作為軟體機(jī)器人的“柔性關(guān)節(jié) ”。

據(jù)悉，V-SPTA完全采用柔性材料制作，擁有超長(zhǎng)使用壽命。相比傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行器，V-SPTA的氣室連接處非常堅(jiān)強(qiáng)，如下圖哪怕用針戳幾個(gè)小孔，依然能夠正常使用。

相關(guān)論文封面

用針戳小洞依然可以使用的氣室

而此前的傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行器，它們的最大缺點(diǎn)在于容易漏氣，在高壓氣體的作用下，氣室連接處很容易裂開、漏氣，最終影響氣動(dòng)執(zhí)行器的使用壽命。

此外，V-SPTA還擁有較強(qiáng)的負(fù)載能力，如下圖，高度20mm為的V-SPTA，其重量?jī)H有1 9 g，但卻能驅(qū)動(dòng)9kg以上的物體，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這是其自重的473倍。

與同類全柔性線性執(zhí)行器相比，V -SPTA的提重能力是它們的5倍以上。

通常來講，和人體關(guān)節(jié)一樣，機(jī)器人的關(guān)節(jié)也是一種通用運(yùn)動(dòng)模塊，它不僅能改變抓手方向，還能改變機(jī)械臂的彎曲方向，而柔性關(guān)節(jié)同樣具備上述功能。

故此，在驗(yàn)證V-SPTA的應(yīng)有功能時(shí)，鄒俊模仿硬體工業(yè)機(jī)器人，并制作一個(gè)全柔性“胳膊”。

他把兩個(gè)V-SPTA分別作為軟體機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)節(jié)和抓手關(guān)節(jié)，其中機(jī)械臂關(guān)節(jié)用于改變?nèi)嵝詸C(jī)械臂的彎曲方向，抓手關(guān)節(jié)用來改變?nèi)嵝宰ナ值淖ト》较颍瑸榈氖亲屓嵝浴案觳病笨蛇m應(yīng)被抓物體的各種擺放角度以及將物體放在不同位置。

和其他氣動(dòng)執(zhí)行器結(jié)合，V-SPTA可實(shí)現(xiàn)模仿人手?jǐn)Q開瓶蓋的過程。

擰瓶蓋

V-SPTA還可組裝成可旋轉(zhuǎn)的柔性爬行機(jī)器人，將7個(gè)V-SPTA和3D打印零件連接起來，就可以產(chǎn)生一個(gè)爬行機(jī)器人，它擁有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直線行走、原地旋轉(zhuǎn)等多種功能。

和其他柔性氣動(dòng)爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向速度對(duì)比

據(jù)鄒俊表示，此前多數(shù)柔性氣動(dòng)爬行機(jī)器人要么不具備轉(zhuǎn)向能力、要么轉(zhuǎn)向速度偏慢，而上述爬行機(jī)器人采用一種全新轉(zhuǎn)向模式，可在行進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向速度可達(dá)25.7°/s，高于多數(shù)同類研究成果。

鄒俊的第二個(gè) SCI 封面論文

在第三個(gè)應(yīng)用中，鄒俊把V-SPTA組裝成柔性管道機(jī)器人，該機(jī)器人可在水平管道以及豎直管道中爬行，功能上除了清理和檢測(cè)管道之外，還能在管道中運(yùn)送物體。

概括來說，V-SPTA擴(kuò)大了軟體機(jī)器人的能力，同時(shí)最大程度地減少了執(zhí)行器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、并降低了制造成本。放在工廠生產(chǎn)線上，能起到類似關(guān)節(jié)機(jī)器手的作用，可用于擰螺絲、抓取物體等。

第二篇SCI封面論文：適用于基于柔性材料的可重構(gòu)軟體機(jī)器人的高級(jí)人工造肌肉

時(shí)隔不久，鄒俊在Advanced Science發(fā)表了另一篇封面論文，標(biāo)題為《適用于基于柔性材料的可重構(gòu)軟體機(jī)器人的高級(jí)人工造肌肉》。

該研究是對(duì)前文第一個(gè)工作的擴(kuò)展，即把機(jī)器人變成類似于樂高積木的物體，借此實(shí)現(xiàn)想要的各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。在第一個(gè)工作中，給軟體機(jī)器人吸氣的時(shí)候，它不僅旋轉(zhuǎn)還會(huì)收縮，沒有把運(yùn)動(dòng)完全分離開，等于是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合體。

相比第一個(gè)工作，第二個(gè)工作通過模塊組合將復(fù)合運(yùn)動(dòng)解耦，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)運(yùn)動(dòng)，這樣可大大豐富機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，因此是很大的進(jìn)步。

模仿折紙的全柔性人工肌肉

打個(gè)比方，一個(gè)物體需要兩個(gè)配件同時(shí)存在才可運(yùn)動(dòng)，而現(xiàn)在兩個(gè)配件分開后，物體也可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，第二篇SCI靈感來源于很多人都熟悉的一種民間藝術(shù)——折紙，通過模仿折紙的折疊運(yùn)動(dòng)，鄒俊設(shè)計(jì)了一種流體驅(qū)動(dòng)的全柔性人工肌肉，它可通過直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、彎曲運(yùn)動(dòng)，去實(shí)現(xiàn)所有的運(yùn)動(dòng)。

因?yàn)槿魏芜\(yùn)動(dòng)都由直線、彎曲、旋轉(zhuǎn)這些基本的運(yùn)動(dòng)組合而成。這樣的話，機(jī)器人的使用場(chǎng)景會(huì)更精細(xì)。打個(gè)比方，電風(fēng)扇就只需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而不需要直線運(yùn)動(dòng)。

具體研究中，鄒俊通過使用剛性連接和柔性軟連接兩種連接方法，設(shè)計(jì)出快速連接的人工造肌肉，這種人造工肌肉可重新配置成各種軟體機(jī)器人，通過一個(gè)關(guān)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且通過不同組合還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模塊化機(jī)器人的概念。

如圖所示，固定環(huán)、螺釘、螺母和剛性連接器等剛性物體，用于連接人工造肌肉的兩個(gè)底面/頂面。其中剛性螺旋連接器在可靠性、穩(wěn)定性和可拆卸性上，擁有顯著優(yōu)勢(shì)。

柔性軟吸盤連接器具有與人工造肌肉相同的驅(qū)動(dòng)源，它可用于連接兩個(gè)人工造肌肉，從而可以在單個(gè)軟體機(jī)器人中有效集成多種功能。

人工造肌肉的連接和組合運(yùn)動(dòng)

肌肉模塊組合實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)解耦

其單個(gè)肌肉模塊可同時(shí)實(shí)現(xiàn)伸縮+扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)、以及彎曲+扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，多模塊組合還可實(shí)現(xiàn)伸縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、徑向運(yùn)動(dòng)等。

“積木”軟體機(jī)器人

這些軟體“積木”可組裝成各種各樣的軟體機(jī)器人，如四足爬行機(jī)器人、柔性抓手、管道機(jī)器人、柔性手腕等，最終實(shí)現(xiàn)了“積木”型軟體機(jī)器人。

據(jù)悉，這類機(jī)器人制作簡(jiǎn)單，成本也比較低，還可根據(jù)需要完成的任務(wù)將模塊化單元重新配置為一組，和針對(duì)大型特定任務(wù)的整體式機(jī)器人，擁有一樣的效果。

同時(shí)，這種折紙?jiān)O(shè)計(jì)還有助于基于柔性材料的機(jī)器人的應(yīng)用，并在由各種柔性材料如水凝膠、電活性聚合物，液態(tài)金屬等制成的軟體機(jī)器人中具有廣闊的應(yīng)用前景。

這項(xiàng)研究還被鄒俊和學(xué)生帶到2019年哈爾濱工業(yè)大學(xué)舉辦的“HRG博實(shí)杯”第一屆中國(guó)研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽上。

大賽共有來自220家高校的1311支隊(duì)伍參加，四位同學(xué)參賽的作品《可重組的多功能人工肌肉》最終獲得全國(guó)總決賽一等獎(jiǎng)，同時(shí)也是當(dāng)時(shí)浙江大學(xué)參賽隊(duì)伍中唯一獲得一等獎(jiǎng)的團(tuán)隊(duì)。

論外觀，鄒俊課題組的機(jī)器人未必“顏值最佳”，在柔性機(jī)器人方面，過去沒有人系統(tǒng)地、給其做類似樂高積木的工作。仍以樂高積木為例，由于它是硬性物體，因此可實(shí)現(xiàn)各種模型，而多數(shù)軟體機(jī)器人很難實(shí)現(xiàn)。

談及未來，鄒俊表示目前模塊化軟體機(jī)器人方向的研究越來越受關(guān)注，并且取得一定的進(jìn)展。但是由于現(xiàn)有模塊化軟體機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的配置，完成一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，目前研究還處于較低的水平。

未來，他打算探索更加先進(jìn)的技術(shù)或方法來克服諸多挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)自主的、敏捷的、強(qiáng)大的以及智能的模塊化軟體機(jī)器人。