氣動(dòng)軟體爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造

1、蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc16180 摘要 摘要本文針對(duì)國內(nèi)外軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了深入研究，主要研究軟體機(jī)器人材料、驅(qū)動(dòng)與控制方面的工作。比較了剛體與軟體機(jī)器人優(yōu)劣，以及軟爬機(jī)器人經(jīng)典與現(xiàn)狀的分析。本文通過自制形狀像毛毛蟲的尺蠖軟體機(jī)器人，利用氣動(dòng)的原理緩慢向前蠕動(dòng)，使用solid works進(jìn)行尺寸參數(shù)，通過使用arduino，Protel設(shè)計(jì)其主要驅(qū)動(dòng)電路和控制部分。實(shí)驗(yàn)研究，性能測(cè)試。本文在不同控制模式下測(cè)試得到具體數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及比較，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證蠖軟體機(jī)器人的性能及試用環(huán)境。本文研究成果將為

2、醫(yī)學(xué)康復(fù)機(jī)器人提供更多的參考，進(jìn)一步完善氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)式柔性手部康復(fù)手套的設(shè)計(jì)，同時(shí)在極端環(huán)境時(shí)發(fā)揮軟體機(jī)器人的柔性優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞: 軟體機(jī)器人；3D打?。籄rduino控制；氣動(dòng)AbstractThis paper conducts in-depth research on the design and manufacture of software robots at home and abroad, and mainly studies the work of robot robots in materials, driving and control. The advantages and d

3、isadvantages of rigid and soft robots are compared, as well as the analysis of the classic and current status of soft crawl robots.In this paper, we use self-made roboticoid robots shaped like caterpillars to creep slowly forward using the principle of aerodynamics, use solid works for dimensioning

4、parameters, and use Arduino, Protel to design its main drive circuit and control section. Experimental research, performance testing.In this paper, the specific data are tested in different control modes. The statistics and comparison of the data and the comparison of simulation and experimental res

5、ults verify the performance and trial environment of the software robot.The research results of this paper will provide more reference for medical rehabilitation robots, further improve the design of pneumatically actuated flexible hand rehabilitation gloves, and at the same time, exert the flexible

6、 advantages of software robots in extreme environments.Keywords :soft body robot; 3D printing; Arduino control; pneumatic第1章 緒論按照慣例，工程師們用硬質(zhì)材料來制造那些精確的，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)行動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)，這些系統(tǒng)很容易被建模為剛性構(gòu)件并連接在離散節(jié)點(diǎn)上。然而，自然系統(tǒng)通常利用其可靈活變形的部分，這些部分的性能相近甚至超過剛性機(jī)器人系統(tǒng)的性能。例如，頭足類生物，在沒有骨骼的情況下能夠完成令人驚奇的操作和運(yùn)動(dòng)，即使是如人類一樣的脊椎動(dòng)物，也可以通過在柔順的骨骼和軟組織中儲(chǔ)存彈

7、性能量來達(dá)到動(dòng)態(tài)步態(tài)。受到大自然的啟發(fā)，工程師們已經(jīng)開始探索由軟體材料組成的軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制。所以，本綜述將對(duì)軟體機(jī)器人領(lǐng)域的最新發(fā)展進(jìn)行討論。在參閱完大量當(dāng)代軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的文獻(xiàn)后，本文對(duì)目前國內(nèi)外軟體機(jī)器人，軟體爬行機(jī)器人，和其質(zhì)料，驅(qū)動(dòng)，控制和近況方面做出總結(jié)并提出一些小我觀點(diǎn)。軟體機(jī)器人簡(jiǎn)介長(zhǎng)期以來，生物學(xué)一直是工程師們制造出更有能力的機(jī)器的靈感源泉 Full, R. J. in Comprehensive Physiology 853930 (Wiley, 1997). 。柔軟和身體柔度是生物系統(tǒng)經(jīng)常使用的突出特征，它們傾向于追求簡(jiǎn)單，并在與環(huán)境的交互中表現(xiàn)出更低的復(fù)雜性

8、Dickinson, M. H. et al. How animals move: an integrative view. Science 288,100106 (2000). 。從研究生物系統(tǒng)中學(xué)到的一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在正在以定義一種新型機(jī)器而達(dá)到高潮被我們成為軟體機(jī)器人 Trivedi, D., Rahn, C. D., Kier, W. M. & Walker, I. D. Soft robotics: biological inspiration, state of the art, and future research. Appl. Bionics Biomech. 5,99117 (

9、2008). 本文討論了軟體機(jī)器人的生物靈感，并回顧了第一代軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用氣動(dòng)人造肌肉或電活性聚合物致動(dòng)器。 Kim, S., Laschi, C. & Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends Biotechnol. 31, 287294 (2013). 本文綜述了軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方法，并討論了三種常用生物的生物力學(xué)特性。 Majidi, C. Soft robotics: a perspective current trends and prospects for th

10、e future. Soft Robotics 1,511 (2014). Laschi, C. & Cianchetti, M. Soft robotics: new perspectives for robot bodyware and control. Front. Bioeng. Biotechnol. 2,3 (2014). 。與剛體機(jī)器人不同，軟體機(jī)器人的身體是由本質(zhì)上柔軟或可擴(kuò)展的材料(例如硅橡膠)制成的，這種材料可以通過變形來吸收大部分由于碰撞而產(chǎn)生的能量。軟體機(jī)器人有一種可連續(xù)變形的，類似肌肉的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，模仿生物系統(tǒng)，并相比于那些剛體機(jī)器人，其能夠產(chǎn)生相對(duì)較多的自由度。它們可

11、以表現(xiàn)出前所未有的適應(yīng)性、敏感性和敏捷性。如表1進(jìn)行了各種機(jī)器人性能的比較。軟體機(jī)器人能夠以高曲率進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)，因此，軟體機(jī)器人可以有多方面的優(yōu)勢(shì)：可以在有限的空間使用 Marchese, A. D., Tedrake, R. & Rus, D. Dynamics and trajectory optimization for a soft spatial fluidic elastomer manipulator. J. Robotics Res. (in the press). 本文介紹了一種低成本、模塊化、欠驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)纖維增強(qiáng)彈性體手柄的設(shè)計(jì)與測(cè)試。；通過連續(xù)的主體軀干變形，從而達(dá)

12、到模仿生物的運(yùn)動(dòng)；為了使其形狀適應(yīng)環(huán)境，采用柔性運(yùn)動(dòng)并因此操縱物體，或在粗糙的地形上彈性移動(dòng)；或執(zhí)行快速敏捷的運(yùn)動(dòng)，如魚類的逃生操縱。剛體離散冗余度硬質(zhì)連續(xù)體軟體自由度少多無限多無限多驅(qū)動(dòng)器少，離散多，離散連續(xù)連續(xù)材料應(yīng)變無無小大材料金屬，塑料金屬，塑料形狀記憶合金橡膠，形狀記憶合金，電活性聚合物精確度非常高高高低承載能力高較低較低低安全性低低低高靈活性低高高高工作環(huán)境結(jié)構(gòu)化環(huán)境結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境非結(jié)構(gòu)化環(huán)境非結(jié)構(gòu)化環(huán)境操作對(duì)象固定尺寸變尺寸變尺寸變尺寸與障礙物相容性無好較好最好可控性容易中等難難路徑規(guī)劃容易較難難難定位檢測(cè)容易較難難難表1 |各種機(jī)器人性能比較創(chuàng)造能充分發(fā)揮

13、其潛力的軟機(jī)器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是利用集成傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和計(jì)算的材料開發(fā)可控制的軟體，所有這些一起使得軟體能夠達(dá)到預(yù)期的行為。第1.2節(jié) 軟體爬行機(jī)器人簡(jiǎn)介1.2.1材料介紹制造軟體機(jī)器人的關(guān)鍵部分是軟材料。雖然楊氏模量只是定義在軸向載荷和小變形下均勻的棱柱形桿上，盡管如此，它還是用于制造機(jī)器人系統(tǒng)的材料剛性的一個(gè)有用的度量5。通常用于機(jī)器人的材料(例如金屬或硬塑料)的模量為109-1012Pa，而自然有機(jī)體(例如皮膚或肌肉組織)通常由模量為104-109Pa材料組成。（比他們同類型的設(shè)計(jì)材料低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖1）圖1近似拉伸模量（彈性模量）選定的工程和生物材料我們將軟體機(jī)器人定義為具有自主行為能力

14、的系統(tǒng)，其主要由具有與軟生物材料（肌肉、皮膚、軟骨等）模量相當(dāng)?shù)牟牧辖M成（或小于109Pa）。這些材料在正常承載條件下表現(xiàn)出相當(dāng)大的柔軟性。使用與軟體生物材料相似的材料的優(yōu)點(diǎn)包括大大減少機(jī)器人系統(tǒng)無意中造成的危害（已經(jīng)證明了具有柔性關(guān)節(jié) Onal, C. D. & Rus, D. Autonomous undulatory serpentine locomotion utilizing body dynamics of a fluidic soft robot. Bioinspir. Biomim. 8, 026003 (2013)摘要介紹了一種由雙向流體彈性體執(zhí)行器組成的移動(dòng)柔性機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)

15、了蛇形運(yùn)動(dòng)。的剛性機(jī)器人也會(huì)造成危害），增加他們與人類互動(dòng)的潛力。柔性材料也能更容易地適應(yīng)各種物體，簡(jiǎn)化諸如抓取等任務(wù) Mazzolai, B., Margheri, L., Cianchetti, M., Dario, P. & Laschi, C. Soft-robotic arm inspired by the octopus: from artificial requirements to innovative technological solutions. Bioinspir. Biomim. 7, 025005 (2012). 本文介紹了一種基于生物學(xué)原理的水下軟體機(jī)器人人工肌肉

16、恒水器的設(shè)計(jì)。，并且還可以改進(jìn)在柔性基板上的流動(dòng)性 Tolley, M. T. et al. A resilient, untethered soft robot. Soft Robotics 1, 213223 （2014）. 本文介紹了一種軟腿機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該軟腿機(jī)器人系統(tǒng)能夠承載無骨架行走時(shí)所需的組件，并且表明柔性機(jī)器人可以適應(yīng)惡劣條件，如較大的外力和極端溫度。1.2.2驅(qū)動(dòng)介紹軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)其的三大分支也大致可以分為三種:基于線纜變長(zhǎng)度的欠驅(qū)動(dòng)、基于流體的變壓驅(qū)動(dòng)和基于智能材料變形的驅(qū)動(dòng) 王田苗, 郝雨飛, 楊興幫, 文力. 軟體機(jī)器人：結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感與控制J. 機(jī)械工程學(xué)

17、報(bào), 2017, 13(53): 1-13?；诰€纜的驅(qū)動(dòng)在傳統(tǒng)柔性機(jī)器人和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中被廣泛應(yīng)用 AUKES D M，HEYNEMAN B，ULMEN J，et al. Design and testing of a selectively compliant underactuated handJ. International Journal of Robotics Research，2014，33(5)：721-735. ，其基本原理是將線纜穿過機(jī)械本體上的固定點(diǎn)，通過在根部拉動(dòng)線纜，在固定點(diǎn)產(chǎn)生一定的彎矩，從而使本體運(yùn)動(dòng)11。部分學(xué)者將這種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)化并用在軟體手 MANTI M，H

18、ASSAN T，PASSETTI G，et al. A bioinspired soft robotic gripper for adaptable and effective graspingJ. Soft Robotics，2015，2(3)：107-116. (圖2a)和連續(xù)體機(jī)器人 MCMAHAN W，JONES B A，WALKER I D. Design and implementation of a multi-section continuum robot：Air-octorC/ 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelli

19、gent Robots and Systems，Aug. 2-6，2005，Edmonton，Alberta，Canada：IEEE，2005：3345-3352. 等方向。但是，電纜是由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很復(fù)雜，小型化和集成化是很難的。通過基于流體轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)選擇的介質(zhì)將其分成液態(tài)動(dòng)態(tài)氣體。液體具有非常好的可壓縮性，高響應(yīng)頻率，不會(huì)泄漏而不會(huì)磨損 KATZSCHMANN R K，MARCHESE A D，RUS D. Hydraulic autonomous soft robotic fish for 3D swimmingC/ Experimental Robotics. Spr

20、inger International Publishing，2016：405-420. 。但是，由于其質(zhì)量不可忽略，其重力影響會(huì)影響機(jī)器人建模和控制。氣動(dòng)因其重量輕，來源廣泛且無污染，廣泛用于軟件機(jī)器人。傳統(tǒng)的方法是使用壓縮空氣泵儲(chǔ)存空氣，并使用電磁閥改變氣流的方向。除了驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌肉和鼻腔機(jī)器人外，它還用于超彈性硅機(jī)器人。然而，其龐大的體積，耗氣量巨大，限制了軟件機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用。學(xué)者們對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了許多改進(jìn)，以提高軟體機(jī)器人的應(yīng)用范圍。例如，使用電池為微型泵供電的集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將仿生軟件機(jī)器人從能量限制中釋放出來，并可以在現(xiàn)場(chǎng)自主移動(dòng) TOLLEY M T，SHEPHERD R

21、 F，MOSADEGH B，et al. A resilient，untethered soft robotJ. Soft Robotics，2014，1(3)：213-223. 。使用直線電機(jī)或電動(dòng)推桿直接驅(qū)動(dòng)氣缸，大大縮短了機(jī)器人的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)提高了氣體利用率。 MARCHESE A D，TEDRAKE R，RUS D. Dynamics and trajectory optimization for a soft spatial fluidic elastomer manipulatorJ. The International Journal of Robotics Research，

22、2016，35(8)：1000-1019. (圖2b)。一些學(xué)者甚至通過引起化學(xué)反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)。使用過氧化氫分解原理，設(shè)計(jì)可調(diào)式氣壓的氣動(dòng)電池來驅(qū)動(dòng) KOJIMOTO N. Pneumatic battery：A chemical alternative to pneumatic energy storageD. USA：Massachusetts Institute of Technology，2012. (圖2c)。通過將智能材料作為機(jī)器人身體的一部分，通過控制智能材料在電場(chǎng)效應(yīng)（電場(chǎng)，熱場(chǎng)，磁場(chǎng)等）影響下的變形，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人主體的集成控制。當(dāng)SMA加熱自我修復(fù)時(shí)，可以通過將SMA嵌入機(jī)器人

23、本身，以特定的運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 UMEDACHI T，VIKAS V，TRIMMER B A. Softworms：The design and control of non-pneumatic，3D-printed，deformable robotsJ. Bioinspiration & Biomimetics，2016，11(2)：025001. (圖 2d)。將DE嵌入機(jī)器人本體，通過控制其在電場(chǎng)作用下的變形驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成復(fù)雜的動(dòng)作 SHIAN S，BERTOLDI K，CLARKE D R. Dielectric elastomer based “ grippers ” for so

24、ft roboticsJ. Advanced Materials，2015，27(43)：6814-6819.(圖 2e)。圖2 |幾種典型的驅(qū)動(dòng)方式因空氣具有來源廣泛、壓縮性好、無污染、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，氣動(dòng)被廣泛用作軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。然而，流量和氣壓隨時(shí)間呈非線性變化，這就給機(jī)器人的實(shí)時(shí)精度控制帶來一定的困難，所以就必要建立一種新的控制模型。為了整合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以使機(jī)器人能夠在現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立行動(dòng)，學(xué)者使用某些化學(xué)反應(yīng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，雖然存在不可控反應(yīng)這種情況，但隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，這種方案會(huì)為軟體爬行機(jī)器人帶來突破性進(jìn)展。因此安全，穩(wěn)定和可控的控制是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方法可靠性和高效驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。1.2.3控制介紹與剛

25、體的控制不同，剛體的運(yùn)動(dòng)可以用六自由度來描述(關(guān)于x、y和z軸的三次旋轉(zhuǎn)和三次平移)，軟體的運(yùn)動(dòng)不能僅限于平面運(yùn)動(dòng)。其實(shí)質(zhì)上并不是有限自由度運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)控制分析是實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人機(jī)能的重點(diǎn)以及難點(diǎn)。下文將控制分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制（建模）以及信號(hào)控制兩部分簡(jiǎn)單介紹國內(nèi)外對(duì)于軟體爬行機(jī)器人控制的設(shè)想，附以實(shí)例。建模就軟體爬行機(jī)器人而言，毛毛蟲為移動(dòng)軟體機(jī)器人提供了一個(gè)理想的模型 Lin, H.-T., Leisk, G. G. & Trimmer, B. GoQBot: a caterpillar-inspired soft-bodied rolling robot. Bioinspir. Biomim

26、. 6, 026007 (2011). 本文介紹了一種用于研究履帶爬行和彈道滾動(dòng)的柔性移動(dòng)機(jī)器人。這些系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的研究，反過來，加深了我們對(duì)相關(guān)自然系統(tǒng)的理解和控制 Saunders, F., Trimmer, B. A. & Rife, J. Modeling locomotion of a soft-bodied arthropod using inverse dynamics. Bioinspir. Biomim. 6, 016001 (2011). 。下面舉出王緒教授等人提出的仿尺蠖蠕動(dòng)模塊化軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)，仿照蠕蟲特有的式蠕動(dòng)爬行方式，擺脫固化思維，將其身體部

27、件分為4個(gè)可重組的軟體球型單元模塊，在首尾模塊添加摩擦片（摩擦腹足），通過球型單元模塊的依次收縮和膨脹，以及軟體摩擦片的附和脫離，實(shí)現(xiàn)在粗糙面上的蠕動(dòng)前進(jìn) 王緒, 費(fèi)燕瓊, 許紅偉, 朱宇航. 仿尺蠖蠕動(dòng)模塊化軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)J. 高技術(shù)通訊, 2015, 25(8): 829-834。原理簡(jiǎn)單易懂，讀者可以通過數(shù)學(xué)模型非常容易的計(jì)算出爬行的原理，甚至可以精確計(jì)算出每一個(gè)循環(huán)移動(dòng)的位移量，這位精確控制軟體爬行提供了某種可能性，也為本論文之后的設(shè)計(jì)提供了不一樣的設(shè)想。圖3 |仿尺蠖蠕動(dòng)模塊軟體爬行機(jī)器人前進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)控制研究人員為軟體控制開發(fā)了新的方法，用于低電平控制、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)態(tài)操作和軟體機(jī)器

28、人系統(tǒng)的規(guī)劃。軟體機(jī)器人的低電平控制是主要分為兩種壓力控制（使用壓力傳感器），或者是體積控制（采用應(yīng)變傳感器）。大多數(shù)流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人使用開環(huán)閥順序控制閥體分段驅(qū)動(dòng)。閥門順序是指一個(gè)閥門打開一段時(shí)間來給執(zhí)行器加壓，然后關(guān)閉以保持或放氣。最近的工作是開發(fā)不需要電氣信號(hào)控制(例如閥門這類的控制元件）的氣動(dòng)軟體機(jī)器人。至于軟體機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制，學(xué)者們雖然進(jìn)行了一些嘗試 LUO Min，AGHELIM，ONAL C D. Theoretical modeling and experimental analysis of a pressure-operated soft robotic snake

29、J. Soft Robotics，2014，1(2)：136-146. ，但仍是一個(gè)非常難以解決的問題，本論文就此話題不進(jìn)行深度闡述。第1.3節(jié) 本文研究的目的、意義及主要研究工作本文將通過自制形狀像毛毛蟲的蠕蟲軟體機(jī)器人，利用氣動(dòng)的原理緩慢向前進(jìn)行型運(yùn)動(dòng)，研究成果將為醫(yī)學(xué)康復(fù)機(jī)器人（如與可穿戴設(shè)備結(jié)合，幫助特殊人群實(shí)現(xiàn)抓，握，拿，抬等肢體動(dòng)作（圖4），或者是幫助術(shù)后患者實(shí)現(xiàn)肌肉的收縮與舒展，加快術(shù)后恢復(fù)）提供更多的參考，進(jìn)一步完善氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)式柔性手部康復(fù)手套的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用自身柔性性質(zhì)，多自由度，可彎曲曲率幅度大等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域的偵查、勘探、救援工作。圖4|伸長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖圖4 |氣動(dòng)驅(qū)

30、動(dòng)式柔性手部康復(fù)手套第2章 現(xiàn)狀綜述第2.1節(jié) 軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述軟體機(jī)器人其優(yōu)于剛體機(jī)器人的特點(diǎn)已被世界認(rèn)可，很多國家現(xiàn)在都努力著手研究新型的仿生軟體機(jī)器人，可以說研究軟體機(jī)器人是時(shí)下最熱門的熱點(diǎn)之一。目前典型的軟體機(jī)器人有麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)所研發(fā)的Meshworm機(jī)器人，可以使用SMA模擬蚯蚓蠕動(dòng)并能抵抗強(qiáng)的沖擊；位于意大利的LASCHI大學(xué)研究組正在研制的通過吸盤抓取物件的仿生章魚；康奈爾大學(xué)的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機(jī)器人；弗吉尼亞大學(xué)研發(fā)的仿生蝠鲼機(jī)器魚通過離子交換聚合金屬材料驅(qū)動(dòng)，具有切換不同運(yùn)動(dòng)模式的能力。 劉璟, 張益峰, 王子又. 軟體機(jī)器人研究發(fā)展綜述

31、J. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2017, (10): 118-134諸多軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)均由自然生物產(chǎn)生靈感，目前軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)均以仿生為主，例如圖5所示a,毛毛蟲式運(yùn)動(dòng)b,多足四足動(dòng)物c,主動(dòng)偽裝d,在危險(xiǎn)環(huán)境中行走e,蝸桿運(yùn)動(dòng)f,粒子干擾驅(qū)動(dòng)g,氣動(dòng)電池驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)h,一種混合硬軟體機(jī)器人i,受蛇啟發(fā)運(yùn)動(dòng)j,內(nèi)燃跳躍k,蝠鲼啟發(fā)的運(yùn)動(dòng)l,自主運(yùn)動(dòng)的魚圖5 |各種軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)第2.2節(jié) 軟體爬行機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述對(duì)于軟體機(jī)器人而言，其變形能力是影響其靈活程度的最重要的參數(shù)，一個(gè)機(jī)器人的可進(jìn)行的形變的狀態(tài)由是由軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的。同時(shí)，軟體機(jī)器人毋庸置疑地將采用新型軟材料，例如

32、電活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)、SMA、硅橡膠等。軟材料將會(huì)導(dǎo)致其加工制造層面困難重重，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮到各方面綜合因素例如形變能力、靈活程度以及是否方便制造。軟體爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)可分為三大類（1）靜水骨骼（2）肌肉性靜水骨骼（3）其他結(jié)構(gòu)。其中仿生學(xué)為靜水骨骼與肌肉性靜水骨骼提供了胚胎模型 曹玉君，尚建忠，梁科山，等.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述J.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2012，48（3）：25-33。2.2.1靜水骨骼大多數(shù)軟體生物（?？?，蠕蟲等）沒有堅(jiān)硬的骨骼，他們主要由表皮，肌肉，體液和神經(jīng)系統(tǒng)組成。肌肉形成一個(gè)封閉的空腔是其典型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充滿體液，形成所謂

33、的流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)。體積的變化由其空腔中體液限制，所以當(dāng)它在某一個(gè)方向上收縮時(shí)，它必須在另一個(gè)方向上延伸以保持總的體積不變。為了增加肌肉力量，結(jié)締組織通常出現(xiàn)在肌肉連接處。與節(jié)肢動(dòng)物不同，軟體動(dòng)物利用封閉流體的靜壓傳遞力，而不是通過骨架。通過控制肌肉各部分的收縮來改變身體堅(jiān)硬程度，通過體液壓力，肌肉收縮膨脹和組織壓縮，使身體變形和移動(dòng)。(1) 仿毛毛蟲軟體機(jī)器人。與毛毛蟲相似，其結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)部分組成硅膠表皮、驅(qū)動(dòng)器(SMA彈簧)、控制電路。表皮是一種環(huán)形的節(jié)段結(jié)構(gòu)，并在鑄造過程中添加各向異性的織物纖維，使其表皮整體具有各向異性的特性(圖6)。圖6 |仿毛毛蟲軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)(2)Blob bo

34、t。Blob bot是美國國防部投資330萬美元，高級(jí)研究計(jì)劃局聯(lián)系了芝加哥大學(xué)和iRobot公司共同努力研究出了的手掌式團(tuán)狀機(jī)器人，Blob bot據(jù)相關(guān)論文所說，采用了“阻塞”的新技術(shù)，這個(gè)新技術(shù)可以使材料在半固態(tài)與半流體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；旌衔铮òw粒與空氣）在軟體氣囊中具有半流體行為(圖7a)，就像水床一樣，可以進(jìn)行任意的變形。當(dāng)通過排出空氣后，顆粒被壓縮在一起，使整體變硬，用一個(gè)形象的比喻就是我們的枕頭，當(dāng)過度壓縮之后其柔軟的屬性就會(huì)消失，表現(xiàn)出半固態(tài)(圖7b)。圖7 |阻塞技術(shù)的概念Blob bot使用了所謂的“阻塞”技術(shù)，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理如圖8所示，硅橡膠是其表皮的主要材料，由幾個(gè)單元組

35、成，每個(gè)單元由包含空氣和顆粒的混合物填充。機(jī)器人內(nèi)部填充的是不可壓縮流體，中心為由氣囊構(gòu)成的單個(gè)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)一些單位氣體耗盡并且放置在機(jī)器人中心的驅(qū)動(dòng)器膨脹時(shí)，則未阻塞單元發(fā)生形變，同時(shí)，由于機(jī)器人重心的移動(dòng)導(dǎo)致機(jī)器人搖擺，最終實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。圖8 |Blob bot運(yùn)動(dòng)機(jī)理2.2.2肌肉性靜水骨骼有無封閉的流體腔是辨別肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)與靜水骨骼結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)，前者完全由各向異性的肌肉纖維構(gòu)成。典型的流體靜力肌肉骨架的結(jié)構(gòu)由橫向肌肉和縱向肌肉組成，當(dāng)縱向肌肉收縮時(shí)，身體向橫向延伸；反之，當(dāng)橫向肌肉收縮時(shí)身體向縱向伸展，總之，體積始終保持不變。肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)在自然界有諸多實(shí)例章魚觸手、動(dòng)物舌頭、大

36、象鼻子都是。歐洲許多大學(xué)研究所都聚焦仿生章魚這個(gè)項(xiàng)目，章魚通過收縮側(cè)面肌肉來延伸觸手，軸向肌肉的收縮來收回（縮短）觸手；內(nèi)斜紋肌收縮使觸手實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。仿生章魚觸手由4個(gè)圓柱形EAP軸肌和4個(gè)弓形EAP肌肉構(gòu)成的橫肌組成。EAP 驅(qū)動(dòng)器采用雙層鍍金電極拉伸硅膠膜，然后折疊成一個(gè)整體，經(jīng)過測(cè)試，仿生EAP在應(yīng)用2000V電壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)約20的收縮。2.2.3其他結(jié)構(gòu)氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈。運(yùn)動(dòng)機(jī)制是改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)副的剛度以使機(jī)器人變形。通過改變八個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭的剛度，閉式八邊型機(jī)構(gòu)在重力作用下旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)鏈條。 通過給機(jī)器人的一些部件充氣，可以通過改變運(yùn)動(dòng)副硬度來滾動(dòng)。一些學(xué)者甚至通過引起化學(xué)反應(yīng)來改變運(yùn)動(dòng)副剛度，使

37、用液氣相變?cè)?，設(shè)計(jì)可調(diào)剛度式運(yùn)動(dòng)副。蠕動(dòng)跳躍機(jī)器人。如圖9所示，其橡膠外殼成直徑40毫米的環(huán)帶形，其內(nèi)部有八根SMA線連接到環(huán)狀外殼的內(nèi)側(cè)，通過控制8根編號(hào)（從A-H）不同的SMA線，使得軟體機(jī)器人變形，其運(yùn)動(dòng)原理如圖9所示，進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)的來回切換，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)。同時(shí)，如圖9d中所示，機(jī)器人可以通過變形儲(chǔ)存勢(shì)能，在某一瞬間進(jìn)行釋放，這就實(shí)現(xiàn)了跳躍。圖9 |滾動(dòng)跳躍機(jī)器人（a）穩(wěn)定狀態(tài)（b）不穩(wěn)定狀態(tài)，將滾動(dòng)（c）穩(wěn)定狀態(tài) （d）儲(chǔ)存勢(shì)能狀態(tài)值得可惜的是，制作這個(gè)柔體機(jī)器人的研究室發(fā)現(xiàn)橡膠的彎曲剛度太低，其儲(chǔ)存的勢(shì)能不能讓機(jī)器人一躍而起，通過選擇了彈簧鋼外殼，實(shí)現(xiàn)了“一躍八千丈”的飛躍

38、，不過這時(shí)機(jī)器人已屬于硬質(zhì)連續(xù)體，不深究。第2.3節(jié) 本章小結(jié)本文將軟體爬行機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述總結(jié)為表2。結(jié)構(gòu)類型驅(qū)動(dòng)控制特點(diǎn)靜水骨骼仿毛蟲軟體SMA提供線性驅(qū)動(dòng)力脈沖電流源可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Blob bot“阻塞”的新技術(shù)壓力傳感器團(tuán)狀機(jī)器人滾動(dòng)肌肉性靜水骨骼仿生章魚EAP 人工肌肉電壓增幅無封閉的流體腔其他結(jié)構(gòu)氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈氣動(dòng)或化學(xué)反應(yīng)應(yīng)變傳感器改變運(yùn)動(dòng)副剛度蠕動(dòng)跳躍重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能應(yīng)變傳感器可儲(chǔ)存彈性勢(shì)能表2 |各種軟體爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較就目前而言，軟體機(jī)器人研究出現(xiàn)很多阻礙。軟體機(jī)器人對(duì)于新材料的要求非常高，可以說沒有活性軟材料，就沒有軟體機(jī)器人，但是現(xiàn)在，材料承受壓力、應(yīng)變能力差，缺乏速

39、度，使用壽命低，且市面上可售的材料屈指可數(shù)，在很多方面都不能實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人所需要的功能。軟件機(jī)器人設(shè)計(jì)只能說處在初步的萌芽階段，并且問題仍然存在，如何平衡諸如靈活性、可靠性和承載能力等指標(biāo)仍然是困難的。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要建立一個(gè)精確的物理模型，這個(gè)模型的創(chuàng)建是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要同時(shí)分析流體動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，機(jī)電學(xué)，熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué) TRIVEDI D，RAHN C，KIER W，et al. Soft robotics：Biological inspiration，state of the art，and future researchJ. Applied Bionics and

40、Biomechanics，2008，5(3)：99-117.，本論文就此話題也不進(jìn)行深度闡述。第3章 設(shè)計(jì)與制造第3.1節(jié) 軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)3.1.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備本設(shè)計(jì)預(yù)使用使用Arduino微控制器來進(jìn)行便宜且快速的設(shè)計(jì)，而不是使用手動(dòng)泵或基本電路控制來實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人的充氣放氣。該電路適用于輸入壓力在0 - 60KPa之間的任何氣動(dòng)機(jī)器人。本設(shè)計(jì)在完成時(shí)已經(jīng)擁有一個(gè)Arduino UNO和一個(gè)9v攜帶電源，只需100元就可以完成這個(gè)簡(jiǎn)易的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)。如圖所示，其電路實(shí)物圖設(shè)計(jì)（圖10a）以及arduino和面包板接線（圖10b，c）。圖10 |實(shí)物接線圖（c）面包板接線（a）電路實(shí)物圖接線圖（

41、b）arduino接線組件和工具，大多數(shù)這些組件都可以從當(dāng)?shù)氐碾娮由痰曩徺I，所需如表3所示，其實(shí)物展示在圖11中。S / N項(xiàng)目數(shù)量1Arduino或其他微控制器12TIP120晶體管331N001二極管346V直流氣泵156V空氣電磁閥26單刀雙擲開關(guān)1710Kohms電阻18PSU / DC電源適配器/可充電電池19面包板110跳線/電纜若干11電纜卷曲機(jī)1125mm直徑軟氣管13烙鐵1表3 |組件與工具氣管電源穩(wěn)壓器面包板圖11 |所需組件照片杜邦線壓力傳感器6V空氣電磁閥1N001二極管單刀雙擲開關(guān)氣動(dòng)快插接頭TIP120晶體管10Kohms電阻為了組裝電路板，需要一些基本工具（如電纜

42、壓接器）來剝離電線上的絕緣層（如果沒有可以通過鉗子簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)其功能），以便它可用于連接面包板上的組件。還需要一個(gè)能夠提供9 - 12V直流電和至少800mA電流的電源裝置。可充電電池或AC-DC電源適配器可用作電源。其中使用面包板是為了方便接線，不需要每根線都通過焊錫連接一起，直接插入面包板會(huì)方便實(shí)驗(yàn)和修改復(fù)雜接線。如果不用面包板，想要拆掉，就很麻煩。而且一旦焊死，就不容易再換成別的連接了。借用別人一句話“面包板是一種電子實(shí)驗(yàn)用品，表面是打孔的塑料，底部有金屬條，電子元器件按照一定規(guī)則插上即可使用無需焊接?！毙率謩倓偸褂妹姘逍枰饕姘宓氖褂梅椒ǎ浜翁帉?dǎo)通何處不導(dǎo)通，下面用圖片簡(jiǎn)單解釋其工

43、作原理。橫向連通橫向連通豎向連通豎向連通圖12 |面包板工作原理經(jīng)過幾次的插線失敗，才發(fā)現(xiàn)重要是布線原則，如果你的布線非常美觀，這樣出了問題檢查也會(huì)事半功倍，否則就只能全部拔了重新插。本文將布線原則簡(jiǎn)單歸納為以下幾點(diǎn)：1. 盡量減少連接點(diǎn)。增加一個(gè)連接點(diǎn)，相當(dāng)于人為地增加了故障概率。2. 盡量避免立交橋。所謂的“立交橋”就是元器件或者導(dǎo)線騎跨在別的元器件或者導(dǎo)線上。初學(xué)者最容易犯這樣的錯(cuò)誤。這樣做，一方面給后期更換元器件帶來麻煩，另一方面，在出現(xiàn)故障時(shí)，零亂的導(dǎo)線很容易使人失去信心，這個(gè)真的深有體會(huì)。3. 盡量牢靠。有兩種現(xiàn)象需要注意：第一、集成電路很容易松動(dòng)，因此，對(duì)于運(yùn)放等集成電路，需要用

44、力下壓，一旦不牢靠，需要更換位置。第二、有些元器件管腳太細(xì)（比如電阻或者是二極管），要注意輕輕撥動(dòng)一下，如果發(fā)現(xiàn)不牢靠，需要更換位置。4. 為了方便測(cè)試5孔孤島一般不要占滿，至少留出一個(gè)孔，用于測(cè)試。5. 布局盡量緊湊，信號(hào)流向盡量合理。布局盡量與原理圖近似。這樣有助于在查找故障時(shí)，盡快找到元器件位置。6. 電源區(qū)使用盡量清晰。在搭接電路之前，首先將電源區(qū)劃分成正電源、地、負(fù)電源3個(gè)區(qū)域，并用導(dǎo)線完成連接。本篇中所有紅線都為電源正極，而藍(lán)線為接地，這樣電路看上去就清楚多了。在面包板簡(jiǎn)單接線外，還需要使用烙鐵和一些焊料將兩根電線連接在一起。通常泵不帶電線，因此必須將電線焊接到泵上。對(duì)于電磁閥，需

45、要延長(zhǎng)電線以適合布局，因此需要焊接。此外，您還必須將電線焊接到電壓調(diào)節(jié)器，以便它可以輕松連接到面包板。如果出現(xiàn)了電路故障不知道原因的情況下，需要用萬用表檢查哪里電路出現(xiàn)短路或者短路，當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝工作了，操作室注意安全，說到底還是安全第一。圖13 |所需工具照片電烙鐵和焊錫螺絲刀 美工刀 萬用表3.1.2 尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)支撐架設(shè)計(jì)需要支撐的配件是氣泵和電磁閥，電磁閥有金屬面和塑料面。金屬側(cè)應(yīng)與高壓側(cè)連接以防止過量泄漏。閥門有兩根電線，沒有極性?？梢酝ㄟ^焊接較長(zhǎng)的導(dǎo)線來延長(zhǎng)導(dǎo)線，也可以使用不同顏色的導(dǎo)線來區(qū)分兩根導(dǎo)線。泵和電磁閥的布置為軸向串聯(lián)排列。因?yàn)橘I到是兩位三通的電磁閥，

46、所以一個(gè)電磁閥就可以執(zhí)行充氣和放氣循環(huán)。兩位三通電磁閥既可以充當(dāng)空氣進(jìn)入軟體機(jī)器人的進(jìn)氣閥，也可以作為開關(guān)打開時(shí)排出系統(tǒng)空氣的排氣閥，這樣就使得設(shè)計(jì)布局和程序編程變得更加簡(jiǎn)便。 先測(cè)量其元件尺寸，在SolidWorks中設(shè)計(jì)其外殼，并使用HPDesignJet 3D打印機(jī)與ABS塑料一起印刷。 很簡(jiǎn)單就可以設(shè)計(jì)出所有的參數(shù)，主要注意的是，因?yàn)闅獗迷谡９ぷ鲿r(shí)會(huì)不可控地振動(dòng)，所以其嵌入槽應(yīng)趁間隙配合，否則泵表面很容易會(huì)有磨損，尺寸偏差在本實(shí)驗(yàn)中不是主要影響因素，可以通過物理方法固定（例如焊接，鉚接，膠合等等）。其次排線需要保證縱向留有一定空隙，又由于需要緊湊性設(shè)計(jì)，具體的微調(diào)過程需要打印下來之后

47、實(shí)物操作測(cè)試，按照3.1.1中的元件尺寸，進(jìn)行多次微調(diào)完成了支撐架的參數(shù)設(shè)計(jì)，支撐架上方缺口用于接線導(dǎo)出口，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如圖14。圖14 |支撐架設(shè)計(jì)（a）支撐架工程圖（a）支撐架3D模型軟體爬行部分設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟體材料的選擇十分重要，此次試驗(yàn)的重點(diǎn)是軟體爬行機(jī)器人這個(gè)“爬行”，必須選擇拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率優(yōu)異，且吸附能力強(qiáng)的軟體材料，才能實(shí)現(xiàn)在多種環(huán)境下的爬行任務(wù)。現(xiàn)在市面上可以購買到的4中軟體材料性質(zhì)如下表所示。材料名稱特性橡膠吸附能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定1080HA的邵氏硬度范圍拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率優(yōu)異形狀記憶合金SMA形狀記憶超彈性可變剛度IPMC動(dòng)電壓低（10Hz）低

48、功耗、密度小、柔韌性好水凝膠在外界環(huán)境變化時(shí)通常展現(xiàn)出獨(dú)特的響應(yīng)性溶脹行為應(yīng)用于軟體機(jī)器人外形塑造與驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域表4 |常見軟體材料性能比較綜上所述，所以毋庸置疑這次的軟材料選擇是橡膠。由于材料的非線性彈性行為和致動(dòng)器的復(fù)雜形狀，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料選擇的影響是很困難的 Y. Sun, Y. S. Song, and J. Paik,Characterization of silicone rubber based soft pneumatic ctuators,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2013 IEEE/RSJ Internationa

49、l Conference on, 2013, pp.44464453.；并且材料選擇并不是本論文的重點(diǎn)，這里不進(jìn)行深度研究，詳細(xì)的細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)28。需要注意的是，在為執(zhí)行器選擇材料時(shí)，要考慮的主要折衷方案是選擇較低硬度的執(zhí)行器，因?yàn)槠潆m然不能施加大的力并且移動(dòng)速度較慢，但可以在低得多的壓力下運(yùn)行。爬行軟體設(shè)計(jì)靈感來源于PNEUNETS（氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）彎曲執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PneuNets是最初由哈佛大學(xué)Whitesides研究小組開發(fā)的一種軟體執(zhí)行器。它們由彈性體內(nèi)部的一系列通道和腔室組成。這些通道在加壓時(shí)膨脹，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。主要原理用圖片模型可以很清楚地解釋（圖15）。充氣圖15 |軟體執(zhí)行器工作原理剛

50、性材料彈性材料則當(dāng)執(zhí)行器受壓時(shí)，“彈性”材料將比“剛性”材料膨脹更多。在使用此類執(zhí)行器時(shí)，習(xí)慣將更剛性的材料稱為“應(yīng)變限制層”，因?yàn)樗拗屏丝赡馨l(fā)生的應(yīng)變量?！安顒e應(yīng)變”效應(yīng)可用于完成例如彎曲和扭曲的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)爬行。為了制造這種執(zhí)行器，主體和底座分開澆鑄，然后粘合在一起。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的底座是一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形板，兩部分模具中間澆筑出來的即是更復(fù)雜的主體。其基本組成單元是15mm*8mm的矩形，選擇“擠出剪切”功能，切掉腔室的內(nèi)腔；然后使用“擠壓凸臺(tái)/底座”工具，從腔室側(cè)面擠出墊塊（圖16b），通過陣列指令復(fù)制到所需要的個(gè)數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)中使用陣列命令復(fù)制了11個(gè)相同的矩形（也就是軟體執(zhí)行器的空腔結(jié)構(gòu)）

51、，其三維圖一目了然（圖16c）。設(shè)計(jì)過程中的磨具長(zhǎng)度決定了執(zhí)行器的彎曲幅度和總體長(zhǎng)度。圖16 |執(zhí)行器模具設(shè)計(jì)圖（a）主體模具工程圖（b）單一腔體單元（c）主體模具三維圖其實(shí)主體部分磨具設(shè)計(jì)完之后，執(zhí)行器設(shè)計(jì)就基本已經(jīng)大功告成。接下來通過solidworks簡(jiǎn)單的制作一個(gè)底座就行了，具體設(shè)計(jì)工作下面圖片所展示的一樣，完成的基模應(yīng)如下所示。這里要將制作的幾個(gè)模型另存為*.stl格式，這個(gè)格式可以直接導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行快速制造打印，方便之后的磨具制造步驟。相比主體，底座的設(shè)計(jì)就非常簡(jiǎn)單了，經(jīng)過測(cè)量，最終得出底座（設(shè)計(jì)值時(shí)需要略大于測(cè)量值）的尺寸是112毫米x 15毫米。搭出一個(gè)112毫米x 15毫

52、米的長(zhǎng)方形，厚度為3毫米。使用與之前相同的方法，使用對(duì)齊唇緣，在此模具周圍創(chuàng)建4毫米高的唇緣。圖17 |執(zhí)行器底座設(shè)計(jì)圖（a）底座模具工程圖（b）透視圖（c）底座模具三維圖3.1.3 驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軟體爬行機(jī)器人，主要驅(qū)動(dòng)由9V直流電源供電，6V直流氣泵實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。電源為9V可充電式UPS不間斷直流電源，其產(chǎn)品規(guī)格與尺寸如下：9V/5000mAh,12V/10000mAh, 電池組的長(zhǎng)度110mm寬度6.8mm厚度2.5mm，如右圖所示。由于鋰電池組的輸出極性為（內(nèi)+外），在購買之前需確認(rèn)自己設(shè)備的輸入極性是否一致。注：使用9V DC插入式電源適配器為該電路供電。當(dāng)然也可以使用任何

53、可提供9-12V和至少1A電流的DC電源單元（PSU）。為了使系統(tǒng)便于攜帶，建議使用可充電電池。氣泵選擇的是微型6v直流電機(jī)耐腐蝕真空泵，可實(shí)現(xiàn)充氣和抽氣兩種不同功能，其參數(shù)如表5所示。型號(hào)KLP05-6隔膜泵類型隔膜氣/液泵電機(jī)類型直流有刷電機(jī)電壓6V噪音65dB正壓0.06Mpa負(fù)壓-0.03Mpa液體壓力0.3Mpa氣體流量（空氣）1000ml/min液體流量（純水）450ml/min產(chǎn)品重量60 g使用環(huán)境溫度550使用環(huán)境濕度090%RH表5 |氣泵參數(shù)表整機(jī)長(zhǎng)度為75mm，電機(jī)直徑為24mm，具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)模型圖如圖18，尺寸單位mm，按照其尺寸參數(shù)，3D打印合適的支撐架，用于防

54、震固定元件。圖18 |氣泵尺寸參數(shù)圖3.1.4 控制部分設(shè)計(jì) 電路控制下面示出了用于驅(qū)動(dòng)的示意性電路布置。圖19 |控制電路設(shè)計(jì)圖每個(gè)電路組件的功能解釋如下：Arduino： Arduino UNO微控制器是電路控制系統(tǒng)的核心（圖20）。在這里，寫入控制命令以使軟體爬行機(jī)器人充氣/放氣，在日后的工作中可以加入壓力傳感器，通過Arduino讀取來自壓力傳感器的系統(tǒng)壓力反饋。圖20 |Arduino UNO俯視圖晶體管：TIP120是NPN達(dá)林頓晶體管，需要將大電流外部器件連接到微控制器。泵和電磁閥需要使用大電流，但是這電流不能直接連接到Arduino的數(shù)字I/O引腳。電磁閥和氣泵與數(shù)字引腳相連的

55、每一個(gè)接線中間都需要一個(gè)晶體管，以確保它們由Arduino控制時(shí)使用適當(dāng)?shù)碾娏鱽眚?qū)動(dòng)。當(dāng)與電磁閥或者泵連接到的輸出引腳為高電平（5V）時(shí)，晶體管有效并且電流能流入TIP120晶體管的基極。當(dāng)輸出引腳為低電平（0V）時(shí)，集電極電流IC將為零，因此晶體管關(guān)閉。通常，晶體管用于將電流開關(guān)切換至電磁閥和泵；通過晶體管，微控制器提供的小電流將接通可以驅(qū)動(dòng)電磁閥和泵的大電流，實(shí)物以及電路圖中的基級(jí)，集電極，發(fā)射級(jí)（圖21）。一個(gè)10Kohms電阻可以放置在微控制器輸出和基極之間。該電阻控制著從集電極流向發(fā)射極的最大電流。該電路是為了確保直流泵和閥所需的大電流不從微控制器提供，而由外部電路提供。此外，電流應(yīng)

56、該從6V電源流經(jīng)泵或者閥，通過TIP120從集電極流向發(fā)射極，然后返回源極（無需流過微控制器）。該電阻控制著從集電極流向發(fā)射極的最大電流。圖21 |TIP120三極管二極管：1N4001二極管用作電磁閥和泵的反激式二極管。當(dāng)泵或閥受到大的電流變化時(shí)，如晶體管切換時(shí)，泵和閥中的電感呈現(xiàn)很大的反電動(dòng)勢(shì)（或電壓）。這個(gè)大的電壓尖峰可能對(duì)電子器件造成不可恢復(fù)的損害，所以需要二極管來阻擋這個(gè)巨大的電流。對(duì)于空氣泵，二極管可以選擇焊接在其端子上。其實(shí)物上有一圈灰色的色帶，那就對(duì)應(yīng)了二極管電路圖上的那條豎線，很容易分辨，為了論述更加重要的東西，就不詳細(xì)說明二極管的工作原理了，這是只要是學(xué)習(xí)過電路的學(xué)者都應(yīng)該

57、有基礎(chǔ)知識(shí)。電源：泵吸取的電流約為150mA，電磁閥所吸收的電流約為180mA。因此，電源應(yīng)能夠提供至少600mA的電流。可以使用鎳氫充電電池或任何具有至少600mA輸出電流和8V-12V直流輸出的電源。單刀雙擲開關(guān)：使用的開關(guān)是市面上能隨便買到的單刀雙擲開關(guān)，對(duì)應(yīng)電路圖上9v電源右邊的電子元件。不過這次買到的開關(guān)讓人暗吃一癟，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的俯視圖和斜視圖已經(jīng)在下方圖片（圖22）中展示，其開關(guān)的原理十分簡(jiǎn)單，當(dāng)上面按鈕開關(guān)選擇了所需要的端極，開關(guān)的頂針就將V字型金屬片壓到與下方金屬芯片重合，實(shí)現(xiàn)電路的連通，讓人吃癟的是，此開關(guān)如果選擇了“I”級(jí)，連通的是下方左邊和中間的極端，真是讓人覺得尷尬的展

58、開。圖22 |單刀雙擲開關(guān)氣動(dòng)回路控制氣動(dòng)回路可以通過電路控制。這兩個(gè)電路之間的接口是電磁閥。電磁閥執(zhí)行與普通氣動(dòng)閥相同的功能，但是是通過電來操作。使用的電磁閥參數(shù)如下表6所示：型號(hào)Fa0520F微型電磁閥額定電壓DC 6V額定電流380mA放棄速度3（100CCtank 300mmHg to 15mmHg）工作壓力350mmHg Max氣密性50M Min（DC 500V）絕緣等級(jí)A壽命100,000Times使用流體Air使用環(huán)境0-50表6 |電磁閥參數(shù)表6V電磁閥，額定功率為2.25W電磁閥，最大工作壓力為350mmHg，4s的排氣速度和3mmHg /分鐘的泄漏，這些參數(shù)都十分亮眼，并

59、且這些電磁閥還非常輕巧，結(jié)構(gòu)緊湊，可以在本試驗(yàn)中集成使用。對(duì)于高壓系統(tǒng)，需要更高壓力的閥門。這可以通過并行操作兩個(gè)或多個(gè)電磁閥作為一個(gè)邏輯閥或者僅使用具有較高壓力的閥來實(shí)現(xiàn)，也可以購買12V直流電泵和電磁閥。在這種情況下，如果使用的是Arduino微控制器，則不需要電壓調(diào)節(jié)器 Victoria, Oguntosin. Low cost Electro-pneumatic circuit for Soft RobotsEB/OL. /low-cost-ep-circuit.。泵基本尺寸如圖23所示，實(shí)物圖經(jīng)過測(cè)量與賣家給的參數(shù)圖無較大差別，支撐架設(shè)計(jì)可取。圖23 |Fa0520F微型電磁閥尺寸圖

60、紙電磁閥低電平：當(dāng)電磁閥不得電時(shí)，彈簧將鐵電樞推出線圈。密封件連接到電樞塊端口1，空氣可以在端口2和3之間流動(dòng)。電磁閥高電平：當(dāng)電磁閥得電時(shí)，鐵電樞被磁場(chǎng)吸引到線圈中。彈簧壓力被克服并且密封件移動(dòng)以阻塞端口3.空氣可以在端口1和2之間流動(dòng)。圖23生動(dòng)形象地展示了此款電磁閥得工作原理。電磁閥得電 電磁閥不得電圖24 |Fa0520F微型電磁閥工作原理當(dāng)電磁閥工作時(shí)，電流將流過線圈。當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)，鐵電樞被磁力吸引（會(huì)聽到“嗒”的一聲，即電磁閥開始工作），電磁閥控制閥門。端口2連接到端口3并通過氣流使軟體機(jī)器人充氣。當(dāng)電磁閥不工作時(shí)，線圈斷電，彈簧控制閥門。端口2連接到端口1，空氣從軟機(jī)器人流出