气动软体爬行机器人设计与制造 机械工程及其自动化专业

目录TOC\o"1-4"\h\u16180摘要 123979Abstract 216096第1章绪论 325830第1.1节软体机器人简介 322422第1.2节软体爬行机器人简介 4195031.2.1材料介绍 4224211.2.2驱动介绍 5195191.2.3控制介绍 829280建模 89614控制 921092第1.3节本文研究的目的、意义及主要研究工作 96399第2章现状综述 107882第2.1节软体机器人研究现状综述 1032195第2.2节软体爬行机器人研究现状综述 11225932.2.1静水骨骼 11187442.2.2肌肉性静水骨骼 132382.2.3其他结构 1322063第2.3节本章小结 1419630第3章设计与制造 151046第3.1节软体机器人的设计 15215363.1.1设计准备 15277593.1.2尺寸参数设计 202221支撑架设计 2018727软体爬行部分设计 22148613.1.3驱动参数设计 26166203.1.4控制部分设计 2820968电路控制 2816267气动回路控制 3111796软件编程控制 3412434第3.2节软体机器人的制造 3785733.2.1支撑架制造 37321233.2.2软体爬行机器人制造 38218713.2.3控制部分制造 4224888第3.3节本章小结 4215525第4章实验研究 4316628第5章总结与展望 4330576第5.1节总结 4313364第5.2节展望 437662致谢 4532414参考文献 46摘要本文针对国内外软体机器人设计和制造进行了深入研究，主要研究软体机器人材料、驱动与控制方面的工作。比较了刚体与软体机器人优劣，以及软爬机器人经典与现状的分析。本文通过自制形状像毛毛虫的尺蠖软体机器人，利用气动的原理缓慢向前蠕动，使用solidworks进行尺寸参数，通过使用arduino，Protel设计其主要驱动电路和控制部分。实验研究，性能测试。本文在不同控制模式下测试得到具体数据，将数据统计及比较，通过仿真和实验结果的对比,验证蠖软体机器人的性能及试用环境。本文研究成果将为医学康复机器人提供更多的参考，进一步完善气动驱动式柔性手部康复手套的设计，同时在极端环境时发挥软体机器人的柔性优势。关键词:软体机器人；3D打印；Arduino控制；气动

AbstractThispaperconductsin-depthresearchonthedesignandmanufactureofsoftwarerobotsathomeandabroad,andmainlystudiestheworkofrobotrobotsinmaterials,drivingandcontrol.Theadvantagesanddisadvantagesofrigidandsoftrobotsarecompared,aswellastheanalysisoftheclassicandcurrentstatusofsoftcrawlrobots.Inthispaper,weuseself-maderoboticoidrobotsshapedlikecaterpillarstocreepslowlyforwardusingtheprincipleofaerodynamics,usesolidworksfordimensioningparameters,anduseArduino,Proteltodesignitsmaindrivecircuitandcontrolsection.Experimentalresearch,performancetesting.Inthispaper,thespecificdataaretestedindifferentcontrolmodes.Thestatisticsandcomparisonofthedataandthecomparisonofsimulationandexperimentalresultsverifytheperformanceandtrialenvironmentofthesoftwarerobot.Theresearchresultsofthispaperwillprovidemorereferenceformedicalrehabilitationrobots,furtherimprovethedesignofpneumaticallyactuatedflexiblehandrehabilitationgloves,andatthesametime,exerttheflexibleadvantagesofsoftwarerobotsinextremeenvironments.Keywords:softbodyrobot;3Dprinting;Arduinocontrol;pneumatic

第1章绪论按照惯例，工程师们用硬质材料来制造那些精确的，可准确预测行动的机器人系统，这些系统很容易被建模为刚性构件并连接在离散节点上。然而，自然系统通常利用其可灵活变形的部分，这些部分的性能相近甚至超过刚性机器人系统的性能。例如，头足类生物，在没有骨骼的情况下能够完成令人惊奇的操作和运动，即使是如人类一样的脊椎动物，也可以通过在柔顺的骨骼和软组织中储存弹性能量来达到动态步态。受到大自然的启发，工程师们已经开始探索由软体材料组成的软体机器人的设计和控制。所以，本综述将对软体机器人领域的最新发展进行讨论。在参阅完大量当代软体机器人设计方案的文献后，本文对目前国内外软体机器人，软体爬行机器人，和其质料，驱动，控制和近况方面做出总结并提出一些小我观点。软体机器人简介长期以来，生物学一直是工程师们制造出更有能力的机器的灵感源泉[[]Full,R.J.inComprehensivePhysiology853–930(Wiley,1997).]。柔软和身体柔度是生物系统经常使用的突出特征，它们倾向于追求简单，并在与环境的交互中表现出更低的复杂性[[]Dickinson,M.H.etal.Howanimalsmove:anintegrativeview.Science288,100–106(2000).]。从研究生物系统中学到的一些经验，现在正在以定义一种新型机器而达到高潮——被我们成为软体机器人[[]Trivedi,D.,Rahn,C.D.,Kier,W.M.&Walker,I.D.Softrobotics:biologicalinspiration,stateoftheart,andfutureresearch.Appl.BionicsBiomech.5,99–117(2008).本文讨论了软体机器人的生物灵感，并回顾了第一代软体机器人系统，该系统主要采用气动人造肌肉或电活性聚合物致动器。[]Full,R.J.inComprehensivePhysiology853–930(Wiley,1997).[]Dickinson,M.H.etal.Howanimalsmove:anintegrativeview.Science288,100–106(2000).[]Trivedi,D.,Rahn,C.D.,Kier,W.M.&Walker,I.D.Softrobotics:biologicalinspiration,stateoftheart,andfutureresearch.Appl.BionicsBiomech.5,99–117(2008).本文讨论了软体机器人的生物灵感，并回顾了第一代软体机器人系统，该系统主要采用气动人造肌肉或电活性聚合物致动器。[]Kim,S.,Laschi,C.&Trimmer,B.Softrobotics:abioinspiredevolutioninrobotics.TrendsBiotechnol.31,287–294(2013).本文综述了软体机器人的设计和驱动方法，并讨论了三种常用生物的生物力学特性。[]Majidi,C.Softrobotics:aperspective—currenttrendsandprospectsforthefuture.SoftRobotics1,5–11(2014).[]Laschi,C.&Cianchetti,M.Softrobotics:newperspectivesforrobotbodywareandcontrol.Front.Bioeng.Biotechnol.2,3(2014).与刚体机器人不同，软体机器人的身体是由本质上柔软或可扩展的材料(例如硅橡胶)制成的，这种材料可以通过变形来吸收大部分由于碰撞而产生的能量。软体机器人有一种可连续变形的，类似肌肉的驱动结构，模仿生物系统，并相比于那些刚体机器人，其能够产生相对较多的自由度。它们可以表现出前所未有的适应性、敏感性和敏捷性。如表1进行了各种机器人性能的比较。软体机器人能够以高曲率进行弯曲和扭转，因此，软体机器人可以有多方面的优势：可以在有限的空间使用[[]Marchese,A.D.,Tedrake,R.&Rus,D.Dynamicsandtrajectoryoptimizationforasoftspatialfluidicelastomermanipulator.J.RoboticsRes.(inthepress).本文介绍了一种低成本、模块化、欠驱动、气动驱动纤维增强弹性体手柄的设计与测试。[]Marchese,A.D.,Tedrake,R.&Rus,D.Dynamicsandtrajectoryoptimizationforasoftspatialfluidicelastomermanipulator.J.RoboticsRes.(inthepress).本文介绍了一种低成本、模块化、欠驱动、气动驱动纤维增强弹性体手柄的设计与测试。刚体离散冗余度硬质连续体软体自由度少多无限多无限多驱动器少，离散多，离散连续连续材料应变无无小大材料金属，塑料金属，塑料形状记忆合金橡胶，形状记忆合金，电活性聚合物精确度非常高高高低承载能力高较低较低低安全性低低低高灵活性低高高高工作环境结构化环境结构化和结构化和结构化和非结构化环境非结构化环境非结构化环境操作对象固定尺寸变尺寸变尺寸变尺寸与障碍物相容性无好较好最好可控性容易中等难难路径规划容易较难难难定位检测容易较难难难表1|各种机器人性能比较创造能充分发挥其潜力的软机器的关键挑战是利用集成传感器、执行机构和计算的材料开发可控制的软体，所有这些一起使得软体能够达到预期的行为。第1.2节软体爬行机器人简介1.2.1材料介绍制造软体机器人的关键部分是软材料。虽然杨氏模量只是定义在轴向载荷和小变形下均匀的棱柱形杆上，尽管如此，它还是用于制造机器人系统的材料刚性的一个有用的度量[5]。通常用于机器人的材料(例如金属或硬塑料)的模量为109-1012Pa，而自然有机体(例如皮肤或肌肉组织)通常由模量为104-109Pa材料组成。（比他们同类型的设计材料低几个数量级，如图1）图1近似拉伸模量（弹性模量）选定的工程和生物材料图1近似拉伸模量（弹性模量）选定的工程和生物材料我们将软体机器人定义为具有自主行为能力的系统，其主要由具有与软生物材料（肌肉、皮肤、软骨等）模量相当的材料组成（或小于109Pa）。这些材料在正常承载条件下表现出相当大的柔软性。使用与软体生物材料相似的材料的优点包括大大减少机器人系统无意中造成的危害（已经证明了具有柔性关节[[]Onal,C.D.&Rus,D.Autonomousundulatoryserpentinelocomotionutilizingbodydynamicsofafluidicsoftrobot.Bioinspir.Biomim.8,026003(2013)摘要介绍了一种由双向流体弹性体执行器组成的移动柔性机器人，实现了蛇形运动。]的刚性机器人也会造成危害），增加他们与人类互动的潜力。柔性材料也能更容易地适应各种物体，简化诸如抓取等任务[[][]Onal,C.D.&Rus,D.Autonomousundulatoryserpentinelocomotionutilizingbodydynamicsofafluidicsoftrobot.Bioinspir.Biomim.8,026003(2013)摘要介绍了一种由双向流体弹性体执行器组成的移动柔性机器人，实现了蛇形运动。[]Mazzolai,B.,Margheri,L.,Cianchetti,M.,Dario,P.&Laschi,C.Soft-roboticarminspiredbytheoctopus:fromartificialrequirementstoinnovativetechnologicalsolutions.Bioinspir.Biomim.7,025005(2012).本文介绍了一种基于生物学原理的水下软体机器人人工肌肉恒水器的设计。[]Tolley,M.T.etal.Aresilient,untetheredsoftrobot.SoftRobotics1,213–223（2014）.本文介绍了一种软腿机器人系统的设计，该软腿机器人系统能够承载无骨架行走时所需的组件，并且表明柔性机器人可以适应恶劣条件，如较大的外力和极端温度。1.2.2驱动介绍软体机器人的驱动对应其的三大分支也大致可以分为三种:基于线缆变长度的欠驱动、基于流体的变压驱动和基于智能材料变形的驱动[[]王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力.软体机器人：结构、驱动、传感与控制[J].机械工程学报,2017,13(53):1-13]。基于线缆的驱动在传统柔性机器人和欠驱动机器人中被广泛应用[[]AUKESDM，HEYNEMANB，ULMENJ，etal.Designandtestingofaselectivelycompliantunderactuatedhand[J].InternationalJournalofRoboticsResearch，2014，33(5)：721-735.]，其基本原理是将线缆穿过机械本体上的固定点，通过在根部拉动线缆，在固定点产生一定的弯矩，从而使本体运动[11]。部分学者将这种驱动方式优化并用在软体手[[]MANTIM，HASSANT，PASSETTIG，etal.Abioinspiredsoftroboticgripperforadaptableandeffectivegrasping[J].SoftRobotics，2015，2(3)：107-116.[]王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力.软体机器人：结构、驱动、传感与控制[J].机械工程学报,2017,13(53):1-13[]AUKESDM，HEYNEMANB，ULMENJ，etal.Designandtestingofaselectivelycompliantunderactuatedhand[J].InternationalJournalofRoboticsResearch，2014，33(5)：721-735.[]MANTIM，HASSANT，PASSETTIG，etal.Abioinspiredsoftroboticgripperforadaptableandeffectivegrasping[J].SoftRobotics，2015，2(3)：107-116.[]MCMAHANW，JONESBA，WALKERID.Designandimplementationofamulti-sectioncontinuumrobot：Air-octor[C]//2005IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems，Aug.2-6，2005，Edmonton，Alberta，Canada：IEEE，2005：3345-3352.通过基于流体转换驱动选择的介质将其分成液态动态气体。液体具有非常好的可压缩性，高响应频率，不会泄漏而不会磨损[[]KATZSCHMANNRK，MARCHESEAD，RUSD.Hydraulicautonomoussoftroboticfishfor3Dswimming[C]//ExperimentalRobotics.SpringerInternationalPublishing，2016：405-420.]。但是，由于其质量不可忽略，其重力影响会影响机器人建模和控制。气动因其重量轻，来源广泛且无污染，广泛用于软件机器人。传统的方法是使用压缩空气泵储存空气，并使用电磁阀改变气流的方向。除了驱动气动肌肉和鼻腔机器人外，它还用于超弹性硅机器人。然而，其庞大的体积，耗气量巨大，限制了软件机器人在非结构化环境中的应用。学者们对气动系统进行了许多改进，以提高软体机器人的应用范围。例如，使用电池为微型泵供电的集成驱动系统将仿生软件机器人从能量限制中释放出来，并可以在现场自主移动[[]TOLLEYMT，SHEPHERDRF，MOSADEGHB，etal.Aresilient，untetheredsoftrobot[J].SoftRobotics，2014，1(3)：213-223.]。使用直线电机或电动推杆直接驱动气缸，大大缩短了机器人的响应时间，同时提高了气体利用率。[[]MARCHESEAD，TEDRAKER，RUSD.Dynamicsandtrajectoryoptimizationforasoftspatialfluidicelastomermanipulator[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch，2016，35(8)：1000-1019.](图2b)。一些学者甚至通过引起化学反应来驱动。使用过氧化氢分解原理，设计可调式气压的气动[]KATZSCHMANNRK，MARCHESEAD，RUSD.Hydraulicautonomoussoftroboticfishfor3Dswimming[C]//ExperimentalRobotics.SpringerInternationalPublishing，2016：405-420.[]TOLLEYMT，SHEPHERDRF，MOSADEGHB，etal.Aresilient，untetheredsoftrobot[J].SoftRobotics，2014，1(3)：213-223.[]MARCHESEAD，TEDRAKER，RUSD.Dynamicsandtrajectoryoptimizationforasoftspatialfluidicelastomermanipulator[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch，2016，35(8)：1000-1019.[]KOJIMOTON.Pneumaticbattery：Achemicalalternativetopneumaticenergystorage[D].USA：MassachusettsInstituteofTechnology，2012.通过将智能材料作为机器人身体的一部分，通过控制智能材料在电场效应（电场，热场，磁场等）影响下的变形，实现软体机器人主体的集成控制。当SMA加热自我修复时，可以通过将SMA嵌入机器人本身，以特定的运动方向驱动机器人[[]UMEDACHIT，VIKASV，TRIMMERBA.Softworms：Thedesignandcontrolofnon-pneumatic，3D-printed，deformablerobots[J].Bioinspiration&Biomimetics，2016，11(2)：025001.](图2d)。将DE嵌入机器人本体，通过控制其在电场作用下的变形驱动机器人完成复杂的动作[[][]UMEDACHIT，VIKASV，TRIMMERBA.Softworms：Thedesignandcontrolofnon-pneumatic，3D-printed，deformablerobots[J].Bioinspiration&Biomimetics，2016，11(2)：025001.[]SHIANS，BERTOLDIK，CLARKEDR.Dielectricelastomerbased“grippers”forsoftrobotics[J].AdvancedMaterials，2015，27(43)：6814-6819.图2|几种典型的驱动方式图2|几种典型的驱动方式因空气具有来源广泛、压缩性好、无污染、质量轻等优势，气动被广泛用作软体机器人驱动。然而，流量和气压随时间呈非线性变化，这就给机器人的实时精度控制带来一定的困难，所以就必要建立一种新的控制模型。为了整合驱动系统以使机器人能够在现场独立行动，学者使用某些化学反应来驱动机器人，虽然存在不可控反应这种情况，但随着相关技术的成熟，这种方案会为软体爬行机器人带来突破性进展。因此安全，稳定和可控的控制是实现驱动方法可靠性和高效驱动的关键。1.2.3控制介绍与刚体的控制不同，刚体的运动可以用六自由度来描述(关于x、y和z轴的三次旋转和三次平移)，软体的运动不能仅限于平面运动。其实质上并不是有限自由度运动，其运动控制分析是实现软体机器人机能的重点以及难点。下文将控制分为运动系统控制（建模）以及信号控制两部分简单介绍国内外对于软体爬行机器人控制的设想，附以实例。建模就软体爬行机器人而言，毛毛虫为移动软体机器人提供了一个理想的模型[[]Lin,H.-T.,Leisk,G.G.&Trimmer,B.GoQBot:acaterpillar-inspiredsoft-bodiedrollingrobot.Bioinspir.Biomim.6,026007(2011).本文介绍了一种用于研究履带爬行和弹道滚动的柔性移动机器人。]。这些系统的开发和实施的软体机器人系统的研究，反过来，加深了我们对相关自然系统的理解和控制[[]Saunders,F.,Trimmer,B.A.&Rife,J.Modelinglocomotionofasoft-bodiedarthropodusinginversedynamics.Bioinspir.Biomim.6,016001(2011).]。下面举出王绪教授等人提出的仿尺蠖蠕动模块化软体机器人的设计，仿照蠕虫特有的Ω式蠕动爬行方式，摆脱固化思维，将其身体部件分为4个可重组的软体球型单元模块，在首尾模块添加摩擦片（摩擦腹足），通过球型单元模块的依次收缩和膨胀，以及软体摩擦[]Lin,H.-T.,Leisk,G.G.&Trimmer,B.GoQBot:acaterpillar-inspiredsoft-bodiedrollingrobot.Bioinspir.Biomim.6,026007(2011).本文介绍了一种用于研究履带爬行和弹道滚动的柔性移动机器人。[]Saunders,F.,Trimmer,B.A.&Rife,J.Modelinglocomotionofasoft-bodiedarthropodusinginversedynamics.Bioinspir.Biomim.6,016001(2011).[]王绪,费燕琼,许红伟,朱宇航.仿尺蠖蠕动模块化软体机器人的设计[J].高技术通讯,2015,25(8):829-834图图3|仿尺蠖蠕动模块软体爬行机器人前进验证试验控制研究人员为软体控制开发了新的方法，用于低电平控制、逆运动学、动态操作和软体机器人系统的规划。软体机器人的低电平控制是主要分为两种——压力控制（使用压力传感器），或者是体积控制（采用应变传感器）。大多数流体驱动的软体机器人使用开环阀顺序控制阀体分段驱动。阀门顺序是指一个阀门打开一段时间来给执行器加压，然后关闭以保持或放气。最近的工作是开发不需要电气信号控制(例如阀门这类的控制元件）的气动软体机器人。至于软体机器人的动力学控制，学者们虽然进行了一些尝试[[][]LUOMin，AGHELIM，ONALCD.Theoreticalmodelingandexperimentalanalysisofapressure-operatedsoftroboticsnake[J].SoftRobotics，2014，1(2)：136-146.第1.3节本文研究的目的、意义及主要研究工作本文将通过自制形状像毛毛虫的蠕虫软体机器人，利用气动的原理缓慢向前进行Ω型运动，研究成果将为医学康复机器人（如与可穿戴设备结合，帮助特殊人群实现抓，握，拿，抬等肢体动作（图4），或者是帮助术后患者实现肌肉的收缩与舒展，加快术后恢复）提供更多的参考，进一步完善气动驱动式柔性手部康复手套的设计，同时利用自身柔性性质，多自由度，可弯曲曲率幅度大等特点，实现在危险区域的侦查、勘探、救援工作。图4|图4|伸长驱动器实物图图4|气动驱动式柔性手部康复手套第2章现状综述第2.1节软体机器人研究现状综述软体机器人其优于刚体机器人的特点已被世界认可，很多国家现在都努力着手研究新型的仿生软体机器人，可以说研究软体机器人是时下最热门的热点之一。目前典型的软体机器人有麻省理工学院、哈佛大学所研发的Meshworm机器人，可以使用SMA模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强的冲击；位于意大利的LASCHI大学研究组正在研制的通过吸盘抓取物件的仿生章鱼；康奈尔大学的集可发光人造皮肤与充气结构为一体的软体机器人；弗吉尼亚大学研发的仿生蝠鲼机器鱼通过离子交换聚合金属材料驱动，具有切换不同运动模式的能力。[[][]刘璟,张益峰,王子又.软体机器人研究发展综述[J].科技创新导报,2017,(10):118-134诸多软体机器人设计均由自然生物产生灵感，目前软体机器人的运动模式设计均以仿生为主，例如图5所示a,毛毛虫式运动b,多足四足动物c,主动伪装d,在危险环境中行走e,蜗杆运动f,粒子干扰驱动g,气动电池驱动的滚动h,一种混合硬软体机器人i,受蛇启发运动j,内燃跳跃k,蝠鲼启发的运动l,自主运动的鱼图5|图5|各种软体机器人运动模式设计第2.2节软体爬行机器人研究现状综述对于软体机器人而言，其变形能力是影响其灵活程度的最重要的参数，一个机器人的可进行的形变的状态由是由软体机器人的结构形式决定的。同时，软体机器人毋庸置疑地将采用新型软材料，例如电活性聚合物(Electroactivepolymer,EAP)、SMA、硅橡胶等。软材料将会导致其加工制造层面困难重重，所以结构设计必须考虑到各方面综合因素——例如形变能力、灵活程度以及是否方便制造。软体爬行机器人结构可分为三大类——（1）静水骨骼（2）肌肉性静水骨骼（3）其他结构。其中仿生学为静水骨骼与肌肉性静水骨骼提供了胚胎模型[[][]曹玉君，尚建忠，梁科山，等.软体机器人研究现状综述［J］.机械工程学报.2012，48（3）：25-332.2.1静水骨骼大多数软体生物（海葵，蠕虫等）没有坚硬的骨骼，他们主要由表皮，肌肉，体液和神经系统组成。肌肉形成一个封闭的空腔是其典型结构，内部充满体液，形成所谓的流体静力骨骼结构。体积的变化由其空腔中体液限制，所以当它在某一个方向上收缩时，它必须在另一个方向上延伸以保持总的体积不变。为了增加肌肉力量，结缔组织通常出现在肌肉连接处。与节肢动物不同，软体动物利用封闭流体的静压传递力，而不是通过骨架。通过控制肌肉各部分的收缩来改变身体坚硬程度，通过体液压力，肌肉收缩膨胀和组织压缩，使身体变形和移动。(1)仿毛毛虫软体机器人。与毛毛虫相似，其结构主要由三个部分组成——硅胶表皮、驱动器(SMA弹簧)、控制电路。表皮是一种环形的节段结构，并在铸造过程中添加各向异性的织物纤维，使其表皮整体具有各向异性的特性(图6)。图6|图6|仿毛毛虫软体机器人结构(2)Blobbot。Blobbot是美国国防部投资330万美元，高级研究计划局联系了芝加哥大学和iRobot公司共同努力研究出了的手掌式团状机器人，Blobbot据相关论文所说，采用了“阻塞”的新技术，这个新技术可以使材料在半固态与半流体之间进行转换。混合物（包括颗粒与空气）在软体气囊中具有半流体行为(图7a)，就像水床一样，可以进行任意的变形。当通过排出空气后，颗粒被压缩在一起，使整体变硬，用一个形象的比喻就是我们的枕头，当过度压缩之后其柔软的属性就会消失，表现出半固态(图7b)。图7|图7|阻塞技术的概念Blobbot使用了所谓的“阻塞”技术，其运动机理如图8所示，硅橡胶是其表皮的主要材料，由几个单元组成，每个单元由包含空气和颗粒的混合物填充。机器人内部填充的是不可压缩流体，中心为由气囊构成的单个驱动器。当一些单位气体耗尽并且放置在机器人中心的驱动器膨胀时，则未阻塞单元发生形变，同时，由于机器人重心的移动导致机器人摇摆，最终实现滚动。图8|图8|Blobbot运动机理2.2.2肌肉性静水骨骼有无封闭的流体腔是辨别肌肉性静水骨骼结构与静水骨骼结构的主要依据，前者完全由各向异性的肌肉纤维构成。典型的流体静力肌肉骨架的结构由横向肌肉和纵向肌肉组成，当纵向肌肉收缩时，身体向横向延伸；反之，当横向肌肉收缩时身体向纵向伸展，总之，体积始终保持不变。肌肉性静水骨骼结构在自然界有诸多实例——章鱼触手、动物舌头、大象鼻子都是。欧洲许多大学研究所都聚焦仿生章鱼这个项目，章鱼通过收缩侧面肌肉来延伸触手，轴向肌肉的收缩来收回（缩短）触手；内斜纹肌收缩使触手实现扭转。仿生章鱼触手由4个圆柱形EAP轴肌和4个弓形EAP肌肉构成的横肌组成。EAP驱动器采用双层镀金电极拉伸硅胶膜，然后折叠成一个整体，经过测试，仿生EAP在应用2000V电压时可以实现约20％的收缩。2.2.3其他结构气动运动链。运动机制是改变机器人的运动副的刚度以使机器人变形。通过改变八个旋转接头的刚度，闭式八边型机构在重力作用下旋转气动链条。通过给机器人的一些部件充气，可以通过改变运动副硬度来滚动。一些学者甚至通过引起化学反应来改变运动副刚度，使用液—气相变原理，设计可调刚度式运动副。蠕动跳跃机器人。如图9所示，其橡胶外壳成直径40毫米的环带形，其内部有八根SMA线连接到环状外壳的内侧，通过控制8根编号（从A-H）不同的SMA线，使得软体机器人变形，其运动原理如图9所示，进行稳定状态和不稳定状态的来回切换，实现滚动。同时，如图9d中所示，机器人可以通过变形储存势能，在某一瞬间进行释放，这就实现了跳跃。图9|滚动跳跃机器人图9|滚动跳跃机器人（a）稳定状态（b）不稳定状态，将滚动（c）稳定状态（d）储存势能状态值得可惜的是，制作这个柔体机器人的研究室发现橡胶的弯曲刚度太低，其储存的势能不能让机器人一跃而起，通过选择了弹簧钢外壳，实现了“一跃八千丈”的飞跃，不过这时机器人已属于硬质连续体，不深究。第2.3节本章小结本文将软体爬行机器人研究现状综述总结为表2。结构类型驱动控制特点静水骨骼仿毛虫软体SMA提供线性驱动力脉冲电流源可进行复杂运动Blobbot“阻塞”的新技术压力传感器团状机器人滚动肌肉性静水骨骼仿生章鱼EAP人工肌肉电压增幅无封闭的流体腔其他结构气动运动链气动或化学反应应变传感器改变运动副刚度蠕动跳跃重力势能转化为动能应变传感器可储存弹性势能表2|各种软体爬行机器人结构比较就目前而言，软体机器人研究出现很多阻碍。软体机器人对于新材料的要求非常高，可以说没有活性软材料，就没有软体机器人，但是现在，材料承受压力、应变能力差，缺乏速度，使用寿命低，且市面上可售的材料屈指可数，在很多方面都不能实现软体机器人所需要的功能。软件机器人设计只能说处在初步的萌芽阶段，并且问题仍然存在，如何平衡诸如灵活性、可靠性和承载能力等指标仍然是困难的。为了优化设计，有必要建立一个精确的物理模型，这个模型的创建是一项复杂的任务，需要同时分析流体动力学，运动学，动力学，机电学，热力学和化学动力学[[][]TRIVEDID，RAHNC，KIERW，etal.Softrobotics：Biologicalinspiration，stateoftheart，andfutureresearch[J].AppliedBionicsandBiomechanics，2008，5(3)：99-117.第3章设计与制造第3.1节软体机器人的设计3.1.1设计准备本设计预使用使用Arduino微控制器来进行便宜且快速的设计，而不是使用手动泵或基本电路控制来实现软机器人的充气放气。该电路适用于输入压力在0-60KPa之间的任何气动机器人。本设计在完成时已经拥有一个ArduinoUNO和一个9v携带电源，只需100元就可以完成这个简易的软体机器人设计。如图所示，其电路实物图设计（图10a）以及arduino和面包板接线（图10b，c）。图10|实物接线图图10|实物接线图（c）面包板接线（a）电路实物图接线图（b）arduino接线组件和工具，大多数这些组件都可以从当地的电子商店购买，所需如表3所示，其实物展示在图11中。S/N项目数量1Arduino或其他微控制器12TIP120晶体管331N001二极管346V直流气泵156V空气电磁阀26单刀双掷开关1710Kohms电阻18PSU/DC电源适配器/可充电电池19面包板110跳线/电缆若干11电缆卷曲机1125mm直径软气管13烙铁1表3|组件与工具气管电源稳压器面包板图11|所需组件照片杜邦线气管电源稳压器面包板图11|所需组件照片杜邦线压力传感器6V空气电磁阀1N001二极管单刀双掷开关气动快插接头TIP120晶体管10Kohms电阻为了组装电路板，需要一些基本工具（如电缆压接器）来剥离电线上的绝缘层（如果没有可以通过钳子简单实现其功能），以便它可用于连接面包板上的组件。还需要一个能够提供9-12V直流电和至少800mA电流的电源装置。可充电电池或AC-DC电源适配器可用作电源。其中使用面包板是为了方便接线，不需要每根线都通过焊锡连接一起，直接插入面包板会方便实验和修改复杂接线。如果不用面包板，想要拆掉，就很麻烦。而且一旦焊死，就不容易再换成别的连接了。借用别人一句话“面包板是一种电子实验用品，表面是打孔的塑料，底部有金属条，电子元器件按照一定规则插上即可使用无需焊接。”新手刚刚使用面包板需要主要面包板的使用方法，其何处导通何处不导通，下面用图片简单解释其工作原理。横向连通横向连通横向连通横向连通竖向连通竖向连通图12|面包板工作原理经过几次的插线失败，才发现重要是布线原则，如果你的布线非常美观，这样出了问题检查也会事半功倍，否则就只能全部拔了重新插。本文将布线原则简单归纳为以下几点：1.尽量减少连接点。增加一个连接点，相当于人为地增加了故障概率。2.尽量避免立交桥。所谓的“立交桥”就是元器件或者导线骑跨在别的元器件或者导线上。初学者最容易犯这样的错误。这样做，一方面给后期更换元器件带来麻烦，另一方面，在出现故障时，零乱的导线很容易使人失去信心，这个真的深有体会。3.尽量牢靠。有两种现象需要注意：第一、集成电路很容易松动，因此，对于运放等集成电路，需要用力下压，一旦不牢靠，需要更换位置。第二、有些元器件管脚太细（比如电阻或者是二极管），要注意轻轻拨动一下，如果发现不牢靠，需要更换位置。4.为了方便测试5孔孤岛一般不要占满，至少留出一个孔，用于测试。5.布局尽量紧凑，信号流向尽量合理。布局尽量与原理图近似。这样有助于在查找故障时，尽快找到元器件位置。6.电源区使用尽量清晰。在搭接电路之前，首先将电源区划分成正电源、地、负电源3个区域，并用导线完成连接。本篇中所有红线都为电源正极，而蓝线为接地，这样电路看上去就清楚多了。在面包板简单接线外，还需要使用烙铁和一些焊料将两根电线连接在一起。通常泵不带电线，因此必须将电线焊接到泵上。对于电磁阀，需要延长电线以适合布局，因此需要焊接。此外，您还必须将电线焊接到电压调节器，以便它可以轻松连接到面包板。如果出现了电路故障不知道原因的情况下，需要用万用表检查哪里电路出现短路或者短路，当一切准备就绪就可以进行设计和组装工作了，操作室注意安全，说到底还是安全第一。图13|所需工具照片图13|所需工具照片电烙铁和焊锡螺丝刀美工刀万用表3.1.2尺寸参数设计支撑架设计需要支撑的配件是气泵和电磁阀，电磁阀有金属面和塑料面。金属侧应与高压侧连接以防止过量泄漏。阀门有两根电线，没有极性。可以通过焊接较长的导线来延长导线，也可以使用不同颜色的导线来区分两根导线。泵和电磁阀的布置为轴向串联排列。因为买到是两位三通的电磁阀，所以一个电磁阀就可以执行充气和放气循环。两位三通电磁阀既可以充当空气进入软体机器人的进气阀，也可以作为开关打开时排出系统空气的排气阀，这样就使得设计布局和程序编程变得更加简便。先测量其元件尺寸，在SolidWorks中设计其外壳，并使用HPDesignJet3D打印机与ABS塑料一起印刷。很简单就可以设计出所有的参数，主要注意的是，因为气泵在正常工作时会不可控地振动，所以其嵌入槽应趁间隙配合，否则泵表面很容易会有磨损，尺寸偏差在本实验中不是主要影响因素，可以通过物理方法固定（例如焊接，铆接，胶合等等）。其次排线需要保证纵向留有一定空隙，又由于需要紧凑性设计，具体的微调过程需要打印下来之后实物操作测试，按照3.1.1中的元件尺寸，进行多次微调完成了支撑架的参数设计，支撑架上方缺口用于接线导出口，具体设计参数如图14。图14|支撑架设计图14|支撑架设计（a）支撑架工程图（a）支撑架3D模型软体爬行部分设计本实验设计的软体材料的选择十分重要，此次试验的重点是软体爬行机器人这个“爬行”，必须选择拉伸强度和伸长率优异，且吸附能力强的软体材料，才能实现在多种环境下的爬行任务。现在市面上可以购买到的4中软体材料性质如下表所示。材料名称特性橡胶吸附能力强、热稳定性好、化学性质稳定10～80HA的邵氏硬度范围拉伸强度、撕裂强度以及伸长率优异形状记忆合金SMA形状记忆超弹性可变刚度IPMC动电压低（<3V）响应速度快（在水中>10Hz）低功耗、密度小、柔韧性好水凝胶在外界环境变化时通常展现出独特的响应性溶胀行为应用于软体机器人外形塑造与驱动等领域表4|常见软体材料性能比较综上所述，所以毋庸置疑这次的软材料选择是——橡胶。由于材料的非线性弹性行为和致动器的复杂形状，准确地预测材料选择的影响是很困难的[[]Y.Sun,Y.S.Song,andJ.Paik,Characterizationofsiliconerubberbasedsoftpneumaticctuators,”inIntelligentRobotsandSystems(IROS),2013IEEE/RSJInternationalConferenceon,2013,pp.4446–4453.][]Y.Sun,Y.S.Song,andJ.Paik,Characterizationofsiliconerubberbasedsoftpneumaticctuators,”inIntelligentRobotsandSystems(IROS),2013IEEE/RSJInternationalConferenceon,2013,pp.4446–4453.爬行软体设计灵感来源于PNEUNETS（气动网络）弯曲执行机构，PneuNets是最初由哈佛大学Whitesides研究小组开发的一种软体执行器。它们由弹性体内部的一系列通道和腔室组成。这些通道在加压时膨胀，产生运动。主要原理用图片模型可以很清楚地解释（图15）。充气充气图15|软体执行器工作原理刚性材料弹性材料则当执行器受压时，“弹性”材料将比“刚性”材料膨胀更多。在使用此类执行器时，习惯将更刚性的材料称为“应变限制层”，因为它限制了可能发生的应变量。“差别应变”效应可用于完成例如弯曲和扭曲的运动，最终实现爬行。为了制造这种执行器，主体和底座分开浇铸，然后粘合在一起。执行机构的底座是一个简单的矩形板，两部分模具中间浇筑出来的即是更复杂的主体。其基本组成单元是15mm*8mm的矩形，选择“挤出剪切”功能，切掉腔室的内腔；然后使用“挤压凸台/底座”工具，从腔室侧面挤出垫块（图16b），通过阵列指令复制到所需要的个数，本次实验中使用阵列命令复制了11个相同的矩形（也就是软体执行器的空腔结构），其三维图一目了然（图16c）。设计过程中的磨具长度决定了执行器的弯曲幅度和总体长度。图16|执行器模具设计图（a）主体模具工程图图16|执行器模具设计图（a）主体模具工程图（b）单一腔体单元（c）主体模具三维图其实主体部分磨具设计完之后，执行器设计就基本已经大功告成。接下来通过solidworks简单的制作一个底座就行了，具体设计工作下面图片所展示的一样，完成的基模应如下所示。这里要将制作的几个模型另存为*.stl格式，这个格式可以直接导入3D打印机进行快速制造打印，方便之后的磨具制造步骤。相比主体，底座的设计就非常简单了，经过测量，最终得出底座（设计值时需要略大于测量值）的尺寸是112毫米x15毫米。搭出一个112毫米x15毫米的长方形，厚度为3毫米。使用与之前相同的方法，使用对齐唇缘，在此模具周围创建4毫米高的唇缘。图17|执行器底座设计图（a）底座模具工程图图17|执行器底座设计图（a）底座模具工程图（b）透视图（c）底座模具三维图3.1.3驱动参数设计本实验设计的软体爬行机器人，主要驱动由9V直流电源供电，6V直流气泵实现气动驱动。电源为9V可充电式UPS不间断直流电源，其产品规格与尺寸如下：9V/5000mAh,12V/10000mAh,电池组的长度110mm宽度6.8mm厚度2.5mm，如右图所示。由于锂电池组的输出极性为（内+外—），在购买之前需确认自己设备的输入极性是否一致。注：使用9VDC插入式电源适配器为该电路供电。当然也可以使用任何可提供9-12V和至少1A电流的DC电源单元（PSU）。为了使系统便于携带，建议使用可充电电池。气泵选择的是微型6v直流电机耐腐蚀真空泵，可实现充气和抽气两种不同功能，其参数如表5所示。型号KLP05-6隔膜泵类型隔膜气/液泵电机类型直流有刷电机电压6V噪音65dB正压＞0.06Mpa负压＜-0.03Mpa液体压力＞0.3Mpa气体流量（空气）＞1000ml/min液体流量（纯水）＞450ml/min产品重量60g使用环境温度5~50℃使用环境湿度0~90%RH表5|气泵参数表表5|气泵参数表整机长度为75mm，电机直径为24mm，具体结构尺寸设计模型图如图18，尺寸单位mm，按照其尺寸参数，3D打印合适的支撑架，用于防震固定元件。图18|气泵尺寸参数图图18|气泵尺寸参数图3.1.4控制部分设计电路控制下面示出了用于驱动的示意性电路布置。图19|控制电路设计图图19|控制电路设计图每个电路组件的功能解释如下：Arduino：ArduinoUNO微控制器是电路控制系统的核心（图20）。在这里，写入控制命令以使软体爬行机器人充气/放气，在日后的工作中可以加入压力传感器，通过Arduino读取来自压力传感器的系统压力反馈。图20|图20|ArduinoUNO俯视图晶体管：TIP120是NPN达林顿晶体管，需要将大电流外部器件连接到微控制器。泵和电磁阀需要使用大电流，但是这电流不能直接连接到Arduino的数字I/O引脚。电磁阀和气泵与数字引脚相连的每一个接线中间都需要一个晶体管，以确保它们由Arduino控制时使用适当的电流来驱动。当与电磁阀或者泵连接到的输出引脚为高电平（5V）时，晶体管有效并且电流能流入TIP120晶体管的基极。当输出引脚为低电平（0V）时，集电极电流IC将为零，因此晶体管关闭。通常，晶体管用于将电流开关切换至电磁阀和泵；通过晶体管，微控制器提供的小电流将接通可以驱动电磁阀和泵的大电流，实物以及电路图中的基级，集电极，发射级（图21）。一个10Kohms电阻可以放置在微控制器输出和基极之间。该电阻控制着从集电极流向发射极的最大电流。该电路是为了确保直流泵和阀所需的大电流不从微控制器提供，而由外部电路提供。此外，电流应该从6V电源流经泵或者阀，通过TIP120从集电极流向发射极，然后返回源极（无需流过微控制器）。该电阻控制着从集电极流向发射极的最大电流。图21|图21|TIP120三极管二极管：1N4001二极管用作电磁阀和泵的反激式二极管。当泵或阀受到大的电流变化时，如晶体管切换时，泵和阀中的电感呈现很大的反电动势（或电压）。这个大的电压尖峰可能对电子器件造成不可恢复的损害，所以需要二极管来阻挡这个巨大的电流。对于空气泵，二极管可以选择焊接在其端子上。其实物上有一圈灰色的色带，那就对应了二极管电路图上的那条竖线，很容易分辨，为了论述更加重要的东西，就不详细说明二极管的工作原理了，这是只要是学习过电路的学者都应该有基础知识。电源：泵吸取的电流约为150mA，电磁阀所吸收的电流约为180mA。因此，电源应能够提供至少600mA的电流。可以使用镍氢充电电池或任何具有至少600mA输出电流和8V-12V直流输出的电源。单刀双掷开关：使用的开关是市面上能随便买到的单刀双掷开关，对应电路图上9v电源右边的电子元件。不过这次买到的开关让人暗吃一瘪，其内部结构的俯视图和斜视图已经在下方图片（图22）中展示，其开关的原理十分简单，当上面按钮开关选择了所需要的端极，开关的顶针就将V字型金属片压到与下方金属芯片重合，实现电路的连通，让人吃瘪的是，此开关如果选择了“I”级，连通的是下方左边和中间的极端，真是让人觉得尴尬的展开。图22|单刀双掷开关图22|单刀双掷开关气动回路控制气动回路可以通过电路控制。这两个电路之间的接口是电磁阀。电磁阀执行与普通气动阀相同的功能，但是是通过电来操作。使用的电磁阀参数如下表6所示：型号Fa0520F微型电磁阀额定电压DC6V额定电流<380mA放弃速度<3（100CCtank300mmHgto15mmHg）工作压力350mmHgMax气密性<3mmHg（minfrom300mmHgat500CCtank）绝缘电阻>50MΩMin（DC500V）绝缘等级A寿命100,000Times使用流体Air使用环境0-50℃表6|电磁阀参数表6V电磁阀，额定功率为2.25W电磁阀，最大工作压力为350mmHg，4s的排气速度和3mmHg/分钟的泄漏，这些参数都十分亮眼，并且这些电磁阀还非常轻巧，结构紧凑，可以在本试验中集成使用。对于高压系统，需要更高压力的阀门。这可以通过并行操作两个或多个电磁阀作为一个逻辑阀或者仅使用具有较高压力的阀来实现，也可以购买12V直流电泵和电磁阀。在这种情况下，如果使用的是Arduino微控制器，则不需要电压调节器[[][]Victoria,Oguntosin.LowcostElectro-pneumaticcircuitforSoftRobots[EB/OL]./low-cost-ep-circuit.泵基本尺寸如图23所示，实物图经过测量与卖家给的参数图无较大差别，支撑架设计可取。图23|图23|Fa0520F微型电磁阀尺寸图纸电磁阀低电平：当电磁阀不得电时，弹簧将铁电枢推出线圈。密封件连接到电枢块端口1，空气可以在端口2和3之间流动。电磁阀高电平：当电磁阀得电时，铁电枢被磁场吸引到线圈中。弹簧压力被克服并且密封件移动以阻塞端口3.空气可以在端口1和2之间流动。图23生动形象地展示了此款电磁阀得工作原理。电磁阀得电电磁阀不得电图24|Fa0520F电磁阀得电电磁阀不得电图24|Fa0520F微型电磁阀工作原理当电磁阀不工作时，线圈断电，弹簧控制阀门。端口2连接到端口1，空气从软机器人流出。其具体实物气管接线如图25所示。图25|图25|Fa0520F微型电磁阀工作原理13软件编程控制使用微控制器数字引脚的模拟信号控制软体的充气和放气周期，开关连接到的数字引脚用作输入。根据所编程序，软体将膨胀或放气。下面显示了从交换机输入的膨胀和紧缩的Arduino代码（如图26a）：constintswitchPin=2;//连接按键的引脚为输入constintpumpPin=5;//连接泵的引脚intledPin=13;//使用板子13号引脚上自带的led灯intswitchState=0;//存储按键状态的变量voidsetup(){//putyoursetupcodehere,torunonce:pinMode(pumpPin,OUTPUT);//初始化泵引脚为输出状态pinMode(ledPin,OUTPUT);//初始化led引脚为输出状态pinMode(switchPin,INPUT);//初始化开关为输入状态}voidloop(){//putyourmaincodehere,torunrepeatedly:switchState=digitalRead(switchPin);//读取按键状态并存储在变量中if(switchState==HIGH)//检测到开关打开时{digitalWrite(pumpPin,HIGH);//泵开digitalWrite(ledPin,HIGH);//LED灯开}if(switchState==LOW)//检测到开关关闭时{digitalWrite(pumpPin,LOW);//泵关闭digitalWrite(ledPin,LOW);//LED熄灭}}上方代码只能实现一次放气和充气，只能实现手动操作开关简单控制充气和放气，但是这对于爬行来说是不合适的，因为一个软体机器人如果要实现爬行功能应该需要自动循环充气和放气的过程，所以这里的开关应该起一个总的控制电路是否通电的作用，当开关打开，则软体实现充气放气循环（也就是所谓的爬行），所以进过谨慎思考修改了所使用的代码，实现了自动化充气放气的功能，进阶Arduino代码如下（如图26b）：constintswitchPin=2;//连接按键的引脚为输入constintpumpPin=5;//连接泵的引脚intledPin=13;//使用板子13号引脚上自带的led灯intswitchState=0;//存储按键状态的变量intn;//引入循环次数nvoidsetup(){//putyoursetupcodehere,torunonce:pinMode(pumpPin,OUTPUT);//初始化泵引脚为输出状态pinMode(ledPin,OUTPUT);//初始化led引脚为输出状态pinMode(switchPin,INPUT);//初始化开关为输入状态}voidloop(){//putyourmaincodehere,torunrepeatedly:switchState=digitalRead(switchPin);//读取按键状态并存储在变量中if(switchState==HIGH)//检测到开关打开时{for(n=99;n>=1;n--);//循环99次（即无限次）{digitalWrite(pumpPin,HIGH);//泵开

delay(5000);//充气5秒digitalWrite(pumpPin,LO