模块化软体机器人多模式运动分析

方占萍

（酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

随着时代的发展，科学技术日新月异。在技术的支持下，软体机器人孕育而生。制作软体机器人材料有很多，如SMA[1]、硅胶等。运用这些材料可通过柔性方法让机器人改变尺寸结构。与传统机器人相比，这种机器人更加智能，不仅能实现人机交互，还能在医疗等领域大展拳脚，因此具有广阔的应用前景[2]。国内外学者纷纷加入研究队伍，Ge 等人以蚯蚓为参照物设计出一款软体机器人，王旭设计出一款可以完成蠕动爬行的软体机器人。本设计之所以采取模块化处理，优势在于方便运动速度及模式。将多个相同模块拼接在一起，可实现丰富运动序列的目的。

1 模块化软体机器人

1.1 结构设计

软体模块主要由2 部分构成，一是2 条多气囊结构，二是由底层、中间层、顶层组成的底板。之所以要让多气囊结构处于对称状态，目的在于让软体机器人拥有做差速运动的能力。在底板中，上下2 层均使用硅胶材质，中间层做特殊处理，使其具有不可拉伸的作用，防止底板变形。单个软体模块的规格是长度110 mm、宽度82 mm。

要想气囊运动，需要辅以驱动器。图1 展示的是气囊驱动器截面情况，其中Sa等于 13 mm，Sb等于 2.5 mm，Sc等于1 mm，Si等于14 mm，其余均为3 mm。利用3D 技术将驱动器的模具打印出来，再通过浇铸，即可获得成品。为让驱动器与底板连接紧密，需要使用粘结剂。一般情况下，选用硅胶或硫化胶。

软体机器人的运动方式参照尺蠖，由6 个模块构成。这些模块之间并无结构差别，只是独立供气。正是由于这一特点，使得软体机器人拥有诸多主动件，使得可选择的驱动序列有很多，这为丰富运动模式提供了可能。

1.2 前进波传递

图2将机器人前进波传递过程完整呈现。图中字母代表不同含义，a代表初始状态，这时还没有运动。b代表尾部模块，此时波形开始传递。d代表头部模块，此时波形已传递至此。c代表传递过程中，此时波形由2点向3点传递。当传递1 个周期后，机器人的位置情况见e。在完成4 个周期后，位置情况见f，此时机器人前进了11.6 cm的距离。

图2 A1D1模式的实验效果Fig.2 The experimental effect of A1D1 mode

2 多模式运动分析

2.1 单向前进运动

软体机器人要想具备单向前进的功能，需要满足2 个条件：一是在进行充气操作时，后方必须传递过来能量；二是在进行放气操作时，模块可将变形量向前方传递。

软体机器人的待放气模块位于左侧，待充气模块位于右侧。在待放气模块的左右各有一个变量，在待充气模块右侧也有一个变量。三变量之间的关系发生变化，运动情况也会随之改变[3]。

第1种情况，充放气模块运动。m代表一个模块的质量，μ代表摩擦因数，θ代表弯曲角度，far、fbl为静摩擦力。当模块两侧收到压力时测试结果表明，模块两侧的拉力值F和气压值p(t)、变形量Δl有着直接联系，其中当模块充气操作完毕后，此时变形量为ΔL。要想知道变形结果，关键要看运动前后的摩擦力值。已知a小于b，那么可以得出far＜fbl。通过分析现有条件，可以看出模块后侧的摩擦力率先达到峰值，在力的作用下，模块后侧移动一段距离，此时模块模块中心点移动的距离ΔX等于至此，ΔX与a、b之间的关系就可梳理出来。

对于待充气模块M而言，ΔX与a、b之间存在如下关系：

对于待放气模块N而言，ΔX与a、b之间存在如下关系：

将2 个公式合并，可以得出：当a＜b或a＜c时，软体模块具备向前运动的能力。当a=b或a=c时，软体模块会把波形向前传递，但不会发生位移。

第 2 种情况，a等于b或a等于c。当a=c且a＜b时，则有far小于fbl的结论，意味着此时模块左端的摩擦力处于峰值。

在完成一组传递后，如果模块N的中心点未发生变化，则能得出模块M右端不滑动的结论。此时模块M的变形量是在这个条件下，可以获得清楚最终拉力值模块N做完充气操作后，最终拉力值假设a等于c，那么FM与FN相等。

前文提到，与驱动力相关的因素只有2 个，一是气压，二是变形量。很显然模块M与模块N的变形量不一样，所以FM=FN的结论不成立，说明模块N的中心点会发生移动，并且是向右侧运动。因此，在a=c且a＜b的条件下可达成运动传递的目标。同理可知，在a=b且a＜c的条件下，模块运动量会向前传递。

综上所述，当满足a＜b或a＜c条件时，软体机器人可完成单向前进运动。

第3种情况，三者取值相同。假设一套操作完成后，模块N摩擦力的方向180°旋转，由向右变为向左，并且设定摩擦力向右作用距离为向左作用距离为Δx- Δz。经过测试观察可以看出，t放气＜t充气。完成放气操作后，模块N会在力的作用下继续移动，此时移动距离为正。

无论做何种运动，都会遵循能量守恒定律，模块充放气过程亦是如此。当充气操作完成后，此时定义模块M的势能为EM（P，ΔLM），模块N的势能为EN（P，ΔLN）。在充气过程中，除了气体会做功，模块N的势能也会进行转化。这一过程可用下面公式表现。

处于待放气状态的模块N，不同操作下能量变化方程有所不同。在充气时，方程是在 放 气 时 ，方 程 是EN（P，ΔLN）=

P(t)只和模块结构以及气压有关。当对模块M进行充气操作时，外摩擦力当对模块N进行充气操作时，外摩擦力已知a等于c，那么就可得到ΔLM等于ΔLN的结论。

综上可得：

继而推导出：

将本节公式汇总到一起，就可获得这一方程：

当a取值为 0 时，可以得出 Δx等于 Δz的结论，这与实验结果不符，说明在前进波传递中并不会形成新的能量。

当a取值为 1 时，结果是已知 0＜Δz＜可得出Δx的取值区间，即由此可以得出模块的中心位移范围，即

2.2 驱动序列分析

假设A代表模块处于充气状态，D代表模块处于待充气状态，i代表连续的充气模块，j代表连续的待充气模块，那么有AiDj代表不同类型的运动模式。充气模块相互组合即可形成前进波，再配以充气模块，就能组成一组驱动序列。a中拥有2 组驱动序列，模块1 与模块2 正进行充气操作，这种状态记作A2，模块3、模块4、模块5属于待充气状态，记作D3，模块6处于待放气状态，为下一组驱动序列的提供前进量[4]。

通过观察示意图，还可得出这样的数量关系。一般情况下，a等于i-1，b与c相等，均为j-1。倘若充放气模块紧挨边界，这时b或c不大于j-1。结合上一节内容来看，当j大于等于i时，软体机器人可实现单向前进运动。当二者取值相等时，a等于b等于 c 成立。在A1D1运动模式中，a值为 0，此时软体机器人无法前进。图8将这一模式下的运动效果整体呈现，由图可见，机器人在做完1 个周期运动后，基本没有挪动位置。在A2D2运动模式中，a值为1，此时机器人可完成单向前进运动。在A3D3运动模式中，a、b、c的取值不为2，必然会出现a值为2，b与c的取值为1 的情况，在这条件下无法实现单向前进运动。

综上所述，满足单向前进条件的运动模式有7种，分别是A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D2、A2D3、A2D4。只有在特定条件下，即i小于等于j，A1D6、A2D5、A2D6才能实现单向运动。

3 结语

本文对软体机器人进行模块化处理，内含多个驱动器，为驱动序列选择留有余地。通过一系列测试，获得模块之间的间隔关系，得到有效驱动序列。同时，联系前后文，准确判断出6 模块软体机器人可实现10 种运动模式。需注意的是，其中3种模式要在特殊条件下才能实现。