英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
软机器人的设计、制造与控制
以往，工程师们使用刚性材料制造精确的、可预测的机器人系统，这些系统常常被建模在连接离散关节上的刚性构件上。然而，自然系统往往与变形体机器人系统的性能等同或超过其性能。例如, 头足类在没有骨架的情况下, 实现了操纵和运动的惊人壮举；甚至像人类这样的脊椎动物通过将弹性能量储存在它们的软骨和软组织中来实现动态步态。受大自然的启发，工程师们开始探索设计和控制由柔顺的材料组成的软体机器人。本综述讨论了新兴的软机器人领域的最新发展。
长期以来，生物学一直是设计师们制造出能力更强的机器人的灵感来源[1]。身体的柔顺行时生物系统经常利用于自身的显著特征，它们倾向于寻求简单性，并在与环境的相互作用中降低其复杂性[2]。通过从研究生物系统中吸取的一些经验，现在已经产生了一种新的机器人定义，我们和其他人将其称为软体机器人[3]-[6]。传统的、刚体机器人在制造中被使用很广泛，并且可以通过编写具体的程序来控制其有效的执行特定的任务，但是刚性机械手的适应性通常比较差。因为它们是由刚性的链接和关节制造的，人类与其交互作业具有很大的不安全因素。所以人们常常在工厂中将人和机器人的工作空间分离开来，以降低安全隐患。其中的一部分问题就是，在传统的驱动机构中缺乏柔顺性。软体机器人给拉近机器人与人之间的距离提供了一个契机。与刚性机器人相比，软体机器人的身体是由柔软或可伸缩的弹性材料（例如硅橡胶）制成的，这些材料可以通过变形来吸收碰撞产生的大量能量。这些软体机器人具有连续变形的结构，具有类似于生物系统的与肌肉相似的驱动结构，并且与同样的刚性机器人相比较，它们具有相对较多的自由度。图一所示的各种机器人具有超强的适应性、灵敏性和敏捷性的潜力。软体机器人可以实现高曲率的弯曲和扭转，因此可以在受限的环境中使用[7]；它们的身体可以实现连续变形，从而实现模仿生物的运动[8]，使其形状适应环境，采用柔顺运动，从而操纵对象[9]。或在崎岖不平的地形上移动，表现出弹力十足；或执行快速敏捷的机动，如鱼的逃逸动作[11]。
创造软体机器人的难点在于实现可充分利用的能力，即使用集成传感器、执行器和计算的材料来开发可控的软体，并共同作用于身体使其提供所需的行动。传统的机器人控制方法在机器人的连杆结构中，并且不适合控制软体，因此软材料需要新的算法。
什么是软的？
“软”指的是机器人的身体。软材料是制造柔性机器人体的关键因素。虽然杨氏模量仅定义为具有轴向载荷和小变形的均匀、棱柱形杆，但它仍然是制造机器人系统的材料刚性的有用量度[5]。通常用于机器人学的材料（例如，金属或硬塑料）具有109～1012帕斯卡的模量，而天然生物体通常由材料（例如皮肤或肌肉组织）组成，模量为104～109帕（数量低于工程设计的数量；图2）。我们定义软体机器人作为能够自主行动的系统，并且主要由与软体生物材料具有相同模量范围的材料组成。
使用与软生物材料类似的柔顺材料的优点包括可以大大减少机器人系统造成的伤害（如已经证明的具有柔性接头的刚性机器人[12]）和增加了它们与人类的交互潜力。柔顺材料也更容易适应各种物体，简化了诸如抓握之类的任务，并且还可以在软基底上改善流动性[13],[14]。
对于软机器人的主体来说，要实现其潜力，传感、驱动、计算、储能和通信等设备必须嵌入软材料中，从而产生智能材料。此外，还需要驱动身体传递所需行为的算法。这些算法实现了对身体结构的阻抗匹配。身体和大脑之间的紧密耦合使我们可以把软体系统看作机械智能的机器, 在这种情况下, 身体可以被看作是用形态学计算来增强大脑[15],[16]。身体执行计算的能力在许多情况下简化了控制算法，模糊了身体和大脑之间的界限。然而，软机器人（如软生物体）需要控制算法将（至少在可预见的将来）运行在某种计算硬件上。虽然必须考虑身体和大脑的协调一致，所涉及的挑战是足够明显的，在这篇评论中，我们发现把它们组织成单独的部分是有益的。
在下面三节中，我们回顾软机器人领域的最新发展，因为它们涉及设计、制造、计算和控制、以及系统和应用。然后, 我们讨论了软机器人面临的持续挑战, 并提出了我们认为最有可能产生社会影响的领域。
设计与制作
根据其底层材料的柔顺性，将机器人分为硬或软两类。软机器人能够连续变形, 但并非所有的连续机器人都是软的。例如, 机器人象树干机械手[17]是由刚性材料组成的离散超冗余连续体机器人;铰接式导管机器人是硬连续体机器人的一个例子;OctArm (图 3b) 是半软连续机器人的一个例子;而卡特彼勒机器人 (图 1a) 和滚动带机器人是软连续机器人的例子。这些软的机器有模块的身体由软的橡胶段组成, 可以连续地或平行地组成形成复杂的形貌。软体机器人的本体可以由具有不同刚度特性的多种材料组成。一个软机器人将一个传统机器人的所有子系统包围在一个柔软的身体中：一个驱动系统、一个感知系统、驱动电子设备和一个计算系统，其中有相应的电源。软质材料和子系统的技术进步使软体机器人的自主功能得以实现。本节的其余部分介绍了开发软机器人子系统的最新进展。利用这一系列的组件, 设计工具用于创建机器人本体的拓扑以及其功能组件的位置。考虑到设计路线图, 机器人已经准备好制造了。
驱动
软机器人的节片通常以以下两种方式中的一种来驱动（图4）：可变长度的腱（以张力缆索形状记忆合金致动器的形式）可以嵌入在软段中，例如机器人章鱼臂（图3F）；或气动驱动用于在软材料中膨胀通道并引起期望的变形。气动人工肌肉（PAMS），也称为McKiBin执行器，是由纤维套管中的弹性管组成的柔顺线性软致动器的例子。射流弹性体执行器 (FEAs) 是一种新型的高可扩展、适应性强、低功耗的软驱动器。FEAs 包括在压力下由嵌入通道扩展操作的合成弹性体薄膜。一旦加压, 执行器将保持其位置很少或没有额外的能耗。FEAs 可气动或液压操作。给定了少量的压力工作流体产生的选择, 以及发电机和执行器的时间常数之间的显著差异, 调节器和阀门等压力调节元件是必要
图1是由一系列生物系统启发的移动软机器人系统。A，卡特彼勒启发运动。一个多步态四足动物。C，主动伪装。D，在危险的环境中行走。蠕虫的运动。F，基于粒子干扰的驱动。由气动电池驱动。H，一种混合式硬-软机器人。Ｉ，蛇启发运动。J，内燃跳动。K，蝠蛾激发运动。一种自治鱼类。
图2所选择的工程和生物材料的近似拉伸模量（杨氏模量）。软机器人主要由具有与软生物材料（肌肉、皮肤、软骨等）相似的材料组成，或小于约1千兆帕斯卡。这些材料在正常载荷条件下表现出相当大的柔顺性。
的。无论致动方法如何，软执行器经常布置在生物启发的激动剂-拮抗剂排列（如肌肉）中以允许双向致动。这种安排的另一个好处是肌肉对的共同收缩导致适应性顺应性。
软机器人系统的设计和执行可以追溯到至少1992，当一个团队展示了柔软、灵活的微致动器的令人印象深刻的能力（图3A）。该工作证明了由弹性体构成的机器人元件气动驱动的方法。在这种方法中，流体（通常是空气）用于在弹性体中充气通道，而在设计或构成材料中的一些不对称性使得部件以期望的方式来驱动（移动）（图4）。由此产生的连续的、自适应的运动看起来令人惊讶地栩栩如生。其他组（图2B，C）使用了适合于微流体的软光刻技术，以及由各种有机硅聚合物和弹性体组成的软复合材料，有时嵌入纸或布，以设计和制造气动致动的软系统。基于气动网络（也称为PNEU网）的这些设计的一个挑战是，致动所需的高应变可能导致缓慢的致动率和破裂故障。一个稍微复杂的设计气动弹性的软机器人减少了驱动所需的材料应变，并允许一个大的，柔软的机器人的无束缚行走。软光刻制作方法通常使用一层较硬的橡胶或弹性体，有时用纸、织物或塑料薄膜嵌入，以实现非对称应变作动。另一种方法是用柔性纤维增强所有弹性元件，这限制了弹性体在气动驱动过程中所承受的应力。其结果是软致动器，具有可扩展性和灵活性降低，但能够承受更高的驱动压力，因此施加更大的力。使用复杂的成型和/或自由形式的制造技术，可以将纤维直接嵌入到气动弹性致动器中，从而实现基于弯曲的敏捷运动。
虽然大多数软机器人原型已经使用气动或液压驱动，大量的研究已经集中在电激活软致动器组成的电活性聚合物（EAPS），这也导致原型系统的发展。由于能量通常最容易以电的形式储存，并且计算通常是在电子电路上进行的，因此直接使用电势来驱动软机器人可能更有效。EAP的类型包括电介质EAPS、铁电聚合物、电致伸缩接枝聚合物、液晶聚合物、离子EAPS、电流变液、离子聚合物-金属复合材料和刺激响应凝胶。由于详细的讨论超出了本次评论的范围，所以我们请读者参考参考文献。一般而言，制造、性能和长期稳定性是EAP研究的活跃领域。
另一方面，软机器人研究的另一条线路是试图控制飞行中的材料刚度，而不是通过调整构成材料来设计机器人系统的刚度。 一种方法是用较硬的材料如蜡或金属嵌入或包裹软材料，其可以被软化。 因此嵌入式加热器可用于调整结构的有效刚度并允许符合规定的行为或启动重新定位。 类似地，粒子干扰造成的等温相变也被作为调整软机器人致动刚度（图2f）的方法，甚至用于抓取令人印象深刻的物体阵列（图3c）。
可伸缩电子元件
到目前为止，大多数集成式软体机器人系统都依靠传统的刚性电子设备来存储控制算法，并连接到系统的执行器，传感器和电源。 然而，近来在柔软和可拉伸的电子学领域进行了许多研究[45]-[47]。 对此领域的全面讨论超出了本评论的范围，但随着这一电子领域的成熟，我们期望与软体机器人更好地整合，从而形成完全柔软的原型。
传感器
软机器人的柔顺性和形态限制了许多传统传感器的使用，包括编码器、金属或半导体应变计或惯性测量单元（IMU）。虽然基于压电聚合物的挠性弯曲传感器可作为商业产品使用，但由于系统的所有元件都需要弯曲和可拉伸，所以这些传感器可能不合适。软的、可拉伸的电子器件可以实现新的传感方式[48],[49]。软体机器人本体感受器的基础通常是非接触式传感器或与液相材料结合的非常低模量的弹性体。因为软体机器人是通过产生曲率来驱动的，本体感觉依赖于曲率传感器。所提出的弹性模量传感器的低模量（其特征模量在105～106mu;Pa）对底层结构的阻抗产生极小的变化。这些传感器通常具有层状结构，其中多个薄弹性体层通过微光刻图案通过软光刻进行图案化。随后用液体导体填充通道（例如，含镓合金如共晶镓-铟或EgAIN）。具有分层的通道几何形状，可以定制传感器用于测量各种应变，包括拉伸、剪切或曲率。为了解决注入液体导体的复杂通道网络所涉及的制造挑战，最近的研究已经研究了导体的掩模沉积[52]，或者直接3D打印导电材料。或者，可以使用外感感知来实时测量软体机器人的身体段的曲率[30]。为了扩展软机器人的应用，可以使用兼容的化学和生物传感器来感知环境信号。这种传感器[54]可以比软体机器人中通常使用的光学和音频记录器更兼容软体机器人。
电源
软体机器人的一大挑战是可伸缩的便携式驱动电源。对于气动执行器，现有的流体动力源不是软的，通常是大而笨重的。目前现成的压力源一般仅限于压缩机或泵和压缩空气缸[55]。如果我们对电气系统进行类比，压缩机与发电机相似，因为它们将电能转换成机械能，压缩气体钢瓶与电容器相似，因为它们在一定容积下储存加压流体，在需要时排出。微型压缩机低效率地使用有价值的电能，而有用的形状因素的气缸不能提供长寿命。流体系统所缺少的是等效于电池，由此化学反应产生必要的能量，用于使用燃料驱动。化学操作的便携式压力源或气动电池[28]（图2G）使用过氧化氢单推进剂产生加压气体[56]。可燃燃料是另一种有前途的高能量密度化学燃料源[57],[58]。
电动致动器（以及气动系统的电气控制器）需要柔软、灵活、轻质的电源[59]。与软电子一样，这是一个活跃的研究领域。最新的发展包括基于石墨烯的电池[60]、有机聚合物[61]和嵌入导电织物［62］。
设计
现有的软机器人系统通常是用传统的3D计算机辅助设计（CAD）软件设计的。然而，目前的CAD软件不是用自由形式的3D制造过程来创建的，并且不容易适应对于软机器人可能需要的复杂的非均匀三维设计。这使得研究人员要么依靠相对简单的“2.5D”分层设计，要么采用定制的方法来设计和制造每个系统，通常基于商业3D造型技术[11],[58]。另一种方法，研究人员使用设计自动化算法进化的启发[64]，设计软机器人。使用定制的有限元分析软件（VoXCAD）自动生成软机器人设计，该软件能够容纳具有大范围模量的材料，并与使用进化算法的设计优化相耦合。此外，进化算法已经被用于自动生成软机器人设计[65]。
图3的抓握和操纵，这是机器人的典范挑战，可以大大简化与软机器人。实验软机器人操纵系统演示微驱动（A）、软连续体操作（B）、握持粒子干扰（C）、通过软光刻（D）制造简单夹持器、欠驱动灵巧抓取（E）、章鱼启发操作（F）、充气机器人的实例IC操作器91（G）、多段臂（H）的反馈控制和康复用软手套（I）。
参考文献
[1] Full, R. J. in Comprehensive Physiology 853–930 (Wiley, 1997).
[2] Dic
全文共16904字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9427]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
