仿生藤蔓可任意伸缩转向的软体机器人

颜于博 张桂臣 刘雁集 张徐扬 侯雨硕 寇子怡

（1.上海海事大学 物流工程学院，上海 201306；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306；3.上海海事大学 交通运输学院，上海 201306）

软体机器人具有独到的特性和使用场景。对传统的刚性机器人而言，它精准的运动控制、成熟的技术发展是明显优势，但是其使用的传统机械结构也带来了一定的劣势，如对环境的适应性差、容错率低，在一些细微、复杂的使用场景往往因为尺寸问题无法使用。因此，小尺寸、便捷的可伸缩软体机器人逐渐成为研究热点[1]。

软体机器人通常由可连续变形的柔性材料制成，可在更大范围内改变自身形状和尺寸，以到达机器人工作空间的任意位置[1]。通常软体机器人设计的主要问题是如何实现机器人的运动和机器人自生长即可任意伸缩转向的问题，因此需要结合仿生技术开展相关研究。伴随机器人技术的发展，越来越多的仿生机器人凭借自身优异的性能在实际应用中表现出色，使得仿生研究成为重点开发方向[2]。譬如：韩奉林等研发的仿尺蠖机器人，通过仿生尺蠖的运动，不断充气、吸附、放气实现机器人的向前运动[3]；达文升等研发的电磁耦合驱动机器人，基于摩擦法的电磁变刚度方法实现了机器人的驱动[4]；柴延辉等设计的仿蠕虫柔性机器人，通过三腔式结构实现全方位运动[5]。

生活中，在医疗、汽修、警用领域常见的内窥镜，即一根顶端带有微型高清近焦摄像头通常由软管包覆的信号传输线缆，是本文软体机器人形态的基础来源[6]。为实现可任意伸缩转向功能，结合对日常生活中手套薄膜的内翻充气现象的研究，设计了仿藤蔓植物生长的机器人，如直径小至几微米的真菌菌丝和周长大至1 m的藤本植物。这些生物由它们的尖端生长开始，最终长度增加数百倍，并根据环境刺激不断控制生长方向。因为从顶端开始延伸的延长不涉及其余身体相对于环境的运动，所以身体可以沿着受约束的路径延长。此外，因为尖端的每次运动导致身体的方向受控伸长，所以身体沿着尖端生长的路径形成三维（3 Dimensions，3D）结构，如植物的筛管结构和导管结构。

与内窥镜进入环境部分长度的改变在使用途中伴随着整个“身体的运动”不同，本文的机器人采用从尖端“生长”的方案，即使用充气薄膜的充气和对气体的控制，实现柔性薄膜的伸展。因此，仿生藤蔓植物机器人可以在工作原理上克服内窥镜的运动控制和稳定性欠佳的问题。此外，仿生导管、筛管的中空结构也为软体机器人实现信号传输带来了可能。

1 软体机器人主体结构设计

软体机器人由主体部分、气泵、气阀和柔性薄膜组成。本文使用了SolidWorks软件对机器人主体部分进行建模并装配，如图1所示。其中，主体部分由电机、杯体、杯盖、卷轴、旋转轴和连接器组成。

图1 软体机器人主体结构示意图

卷轴部分用于缠绕柔性薄膜，并在电机转动时不断放松输送薄膜，由上下两个圆盘和中间一根打孔的圆柱组成。圆柱中间的孔洞和旋转轴上的孔洞通过销连接。旋转轴通过连接器与电机连接，如图2所示。杯体杯壁上留有空洞，用于气泵气体的输入。输入杯体的气体用于直接驱动柔性薄膜中翻折的腔室。

图2 卷轴与旋转轴装配示意图

在柔性薄膜的腔室材料分析中，软体机器人伸缩部分的材料应具有足够的密封性，且能承受一定的压力，遵循基本原则。只要可以在压缩空气的推动下能够从尖端延伸，就能使机器人实现任意转向伸缩。因此，综合考虑后本文选用了聚乙烯（Polyethylene，PE）高压塑料作为原材料。如图3所示，这种材料造价便宜且轻便，可以定制成各种样式，用于各种场合。

图3 PE高压塑料实物

1.1 机器人伸缩原理

伸缩原理基于一个生活现象，即当使用一次性手套时，一些手套的指头部分会向内翻卷，此时可以通过吹气使指头部分完全向外展开，这一过程可以看作是手套指头的“生长”。在本文设计中，使用一个气动泵来驱动PE高压塑料薄膜实现这一原理，如图4所示。该气动泵对内翻的PE高压塑料薄膜内部进行加压[7]。薄膜加压设计在延长尖端的同时，能显著改变整体长度。因为未充气的PE塑料整体很薄，体积很小，因此可以大量围绕在旋转的卷轴上。存储方式类似于生活中常见的透明胶带、卷尺等。

图4 薄膜伸缩原理

这样的设计使得机器人的长度变化具有高度可塑性，因为总伸长长度的上限与线轴上塑料薄膜数量、线轴的直径以及材料特性息息相关。本文使用的PE塑料薄膜厚度约为0.5 mm，转轴本身直径为30 mm，意味着充满气体的状态下10 m长的塑料薄膜在未充气时的收纳体积仅为直径不到40 mm的圆盘。

1.2 机器人转向原理

汽车在过弯转向时弯道外侧的轮子转速更高，速度更快。如果该机器人身体两侧“生长”的速度不对称，那么尖端会向“生长”慢的一侧弯曲。通过控制两侧“生长”的相对速度，可以控制弯曲的方向和速度。在自然界，这一现象类似于藤蔓植物的趋光性生长，即两侧植物细胞接受的生长素不均匀导致生长速度存在差异。本文设计正是仿生这一现象，当主体从卷轴中被充气释放的同时，可以选择性地使主体的一侧伸长速度相对于另一侧快速实现弯曲。沿着机器人身体侧面延伸的小控制室充当控制输入，当腔室中的一个被充气时，机器人身体从该侧的尖端向外翻的部分将被加长。

本文机器人的柔性薄膜部分由5个气室构成，如图5所示，其中上下左右4个气室与中心最大的气室胶黏合，负责控制“生长”的方向。例如，当右通道充气时，尖端的右侧变长，导致整体左转。因此，通过控制控制室的相对气压，实现身体的转向。这种方法既高效又简单，不需要使用任何驱动器即可实现本体转动。转弯是在分段的同时产生的，每一次转弯都是永久性的，就像正在趋光性生长的藤蔓植物。机器人尖端运动方向改变的原理如图6所示[7]。

图5 薄膜截面气室

图6 柔性机器人尖端运动方向改变原理

2 软体机器人工作流程

机器人的工作流程如图7所示。根据机器人薄膜构造的特点，想要各方向完整驱动“生长”构造，需要5个不同的气体输入——身体的主要伸长和4个运动方向的控制。考虑结构的简洁性和易使用性，本文采用1个气泵搭配5个气阀的组合。前4个气阀通过气管直接与薄膜周围的4个气室相连，最后1个气阀通过软管与机器人杯体上的孔洞相连，负责主体伸长的驱动，如图8所示。

图7 软体机器人工作流程

图8 气阀组实物

实际工作时，先由气泵泵出气体贮存在气罐中，随后手动打开运动方向对应的气阀，同时电机工作，送出柔性薄膜。

使用SolidWorks软件对模型进行管道模拟，如图9所示。在遇到第一个弯折管道时，薄膜的上气室迅速充气而下气室少量充气或者不充气，连接杯体的气阀匀速充气，即可实现柔性薄膜的向下运动。在遇到第二个弯折管道时，薄膜的下气室迅速充气而上气室少量充气或者不充气，连接杯体的气阀匀速充气，即可实现柔性薄膜的向上运动。

图9 柔性机器人通过管道模拟

3 实物实验分析

基于三维模型的构建搭建实物，并对主体的向前伸长功能进行测试。如图10所示，选用的柔性薄膜截面为圆形，并未包含其余控制方向的气室。使用时先将柔性薄膜制作成较长的手指套形状，并将开口处套住杯体外壁黑色部分，套牢后使用不漏气的密封黏胶固定，然后将顶端向内内翻，使得其余部分进入杯体并缠绕在卷轴上。此时可手动缠绕薄膜，也可以使用电机加速薄膜的缠绕。缠绕完毕后盖上底座杯盖，检查气密性，无误后可打开分流气阀，开始充气。

图10 柔性机器人实验实物

图11为刚开始未充气时柔性薄膜的自然伸展长度，使用胶带进行标注，以便与充气伸长后进行对比，可以看出柔性薄膜与地板的相对位置。

图11 未充气尖端初始长度标记

如图12所示，拧开气泵开关，气泵开始工作，为气罐储气。一段时间后，待气罐气体充满后，根据需求打开对应的分流阀（此处为主气室阀）与电机开关。电机开始转动，气阀中气体开始注入杯体，最终柔性薄膜在气压作用下开始向外伸长。

图12 柔性机器人操作流程

由图13胶带标志与地板的相对位置可以看出，柔性身体的“生长”是尖端的伸长，并不会导致整个身体与环境的相对运动。这验证了本文对于原理的描述与传统内窥镜式的机器人全身体运动不同。该机器人伸长过的部分固定，与环境不产生相对运动，摩擦损耗小，运动更易控制且更加精准。

图13 柔性机器人充气伸展后结果

4 结语

针对软体机器人如何任意伸缩并控制其在各个方向上运动的问题，结合仿生藤蔓植物的生长给出了解决方案，设计了一种以充气为驱动方式的柔性薄膜机器人，并进行了实物搭建，通过实验测试验证了设计的可行性。仿生植物藤蔓的运动方案在解决软体机器人可任意伸缩转向的问题上具有高度的可行性和实用性。设计的柔性机器人的上下左右各个腔室为空心结构，对于填充物的要求较低，因此适用范围广，可以在现有的陆上机器人的基础上改变填充物属性，根据环境实现水下液体填充的拓展功能，研发水下软体机器人。此外，基于空心结构的设计可以在中间填充线缆，结合单片机的便利性，可以实现图像或者信号的远距离传输。相比于窥镜，该软体机器人的精准性和适用范围更广。由于软体机器人传动的简便性，它可以搭配不同的电机使用，兼容性高。对于机器人所用的柔性薄膜来说，材料本身拓展性很高，得益于PE薄膜高度可定制的特性，气室数量和形状可以自由更改，如5气室结构可改变为9气室结构，圆形截面可以更改成六边形结构，实现在空间上的多方向运动。它具有优秀的功能性，简易便携、造价便宜，在探测、救援领域都能发挥良好作用。譬如，复杂管道的检修功能、废墟救援的探测功能以及考古工作的侦察功能等。