引用本文

刘晓华, 王耀南, 冯运. 一种多运动模式的仿生软体爬行机器人设计与性能研究. 自动化学报, 2026, 52(5): 1046−1057 doi: 10.16383/j.aas.c250680

Liu Xiao-Hua, Wang Yao-Nan, Feng Yun. Design and performance study of a biomimetic soft crawling robot with multiple motion modes. Acta Automatica Sinica, 2026, 52(5): 1046−1057 doi: 10.16383/j.aas.c250680

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250680

关键词

软体机器人，仿生设计，爬行机器人，气动关节

摘要

仿生关节结构和多模式爬行机器人对复杂环境下的柔顺运动具有重要意义. 针对现有爬行机器人运动模式单一的问题, 首先设计一种受章鱼触腕肌肉结构启发的三腔气动关节. 该关节实现模块化设计和三维空间的差异化轨迹运动. 基于该关节提出并研制一种兼具多种运动模式的仿生爬行机器人. 通过选择不同的气压激励方式, 机器人在同一平台上实现类似蜥蜴的纵向爬行和类似螃蟹的横向爬行, 分别实现142.54 mm/min和90.02 mm/min的移动速度. 本文围绕关节设计原理、结构实现、制造工艺及机器人集成与运动验证进行系统研究, 为气动关节设计和多模式仿生爬行机器人的开发提供新的技术途径.

文章导读

软体机器人是一种由柔软材料制成的机器人, 其具有高安全性、高生物相容性和高柔顺性等特点[1−2]. 气动软体机器人是一种由受压气体驱动和控制的软体机器人, 其具有响应速度快、成本低和高环境兼容性, 在医疗康复、可穿戴设备和减震降噪领域展现了巨大的应用潜力[3−6]. 气动软体关节是一种气压驱动的软体机器人, 可以在气压激励下产生期望的变形和运动. 相比传统机械关节, 软体关节由柔性材料构成, 能够在无刚性铰链的情况下实现连续、大范围的空间运动. 因此, 柔性关节成为实现软体机器人高柔顺性、多自由度与形变能力的关键执行单元. 近年来, 研究者普遍关注如何通过新型结构设计和驱动策略提升软体关节的运动能力、可控性及结构可靠性. 经典的网格型气动软体执行器可以看成一种软体关节, 通过对气室结构的精心设计, Mosadegh等[1]实现对执行器运动性能的优化. Connolly等[7]研究外部约束纤维分布角度对执行器变形性能的影响, 并提出一种设计策略, 实现对人类食指和拇指运动的模仿. 通过周向布置多个气室, Giannaccini等[8]设计一种气动机械臂, 并实现末端执行器位置与刚度的解耦.

近年来, 仿生学理念在机器人领域深入发展, 成为机器人设计的重要思想之一[9−10]. 与传统机械系统不同, 仿生机器人强调从自然界的结构、材料与运动机理中获取灵感[11−12]. 受章鱼触腕、象鼻、鱼鳍等生物启发, 人们设计多种三腔气动关节. Xie等[13]设计一种多自由度软体执行器, 其由三个对称分布的纤维增强执行器组成, 但其需要较高的工作压力. Zhang等[14]设计多种多自由度气动关节, 均为周向分布的多腔结构. 基于纤维增强的执行器, 他们设计一种蛇形机械臂并应用于内窥镜等场景. Kalisky等[15]设计和制备一种3D打印的多气室软气动关节, 通过使用注射器控制执行器的正负压力, 可以实现关节的伸长和弯曲. 总体来说, 三腔气动关节通过沿圆周方向布置三个独立气室, 使其在差动充气模式下产生受控的弯曲运动. 典型结构多采用硅胶、热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)或柔性橡胶作为主体材料, 通过纤维绕制、层结构设计或局部加强实现变形受控性. 尽管上述工作提出多种三腔气动关节, 但由于外部约束结构的特质, 存在着驱动气压高的问题, 这将提高结构的应力水平, 有可能对执行器的工作寿命造成潜在影响. 基于负压驱动的气动关节还存在无法主动伸长的问题. 此外, 传统基于分体浇筑的制备弹性体的方法还会造成弹性体接缝处的潜在破裂隐患, 影响气动关节的一致性和稳定性.

另一方面, 受爬行生物启发, 研究人员设计多种软体爬行机器人. 爬行运动是自然界最为普遍且高效的生物运动方式之一, 广泛存在于爬行动物、软体动物及节肢动物中. 仿生爬行机器人无需复杂的铰链机构即可在狭窄空间、不规则基底及柔软地面上保持稳定运动, 具有结构简洁、能耗低、稳定性高、易于微型化等显著优势[16]. 近年来, 气压驱动软体机器人因其结构柔顺性强、环境适应性好, 在爬行式运动研究中受到广泛关注[17]. Shepherd等[18]设计一种由硅胶制成的五气室爬行机器人, 并测试其不同的运动步态. Grossi等[19]设计一种基于超材料的仿毛毛虫机器人, 通过利用摩擦力实现机器人的运动. Tang等[20]设计一种仿尺蠖的两栖爬行机器人, 通过向螺旋形的气道充气, 实现机器人的可逆吸附. 现有研究主要围绕仿蠕虫、仿蛇及仿节肢动物等运动模式, 普遍能够实现稳定的纵向前进爬行, 并通过左右气室的差异化驱动实现一定程度的转向或路径调整. 然而, 从运动能力的严格定义来看, 这类转向行为本质上仍属于纵向运动框架下的方向调制, 而非真正意义上的横向位移或侧向爬行. 受限于气动软体结构的高度对称性、地面接触摩擦的非线性特征以及气动控制维度有限等因素, 能够同时实现可控纵向与横向爬行运动的气压驱动软体机器人研究仍然较为有限. 因此, 开发一种具备多方向运动能力并兼具结构简洁与驱动高效性的爬行机器人是该领域的重要研究需求.

针对上述不足, 本文首先提出一种受章鱼触腕肌肉结构启发的三腔气动关节结构, 实现模块化设计和三维空间的差异化轨迹运动. 之后, 基于该气动关节, 本文提出并研制一种具有多种运动模式的仿生爬行机器人, 如图1所示. 通过不同的气压激励策略, 该机器人不仅能够实现类似四足动物(如蜥蜴、马)的纵向运动, 同时也可实现类似螃蟹的横向爬行, 从而在单一平台上实现自然界两类典型爬行方式的统一. 该设计突破现有软体爬行机器人运动模式单一的局限, 为多模式仿生运动与柔性机器人机动性提升提供一种新的技术路线. 本文围绕关节设计机制、结构实现、制造工艺以及爬行机器人设计与关节集成展开系统研究, 为气动关节的设计与应用提供一条可行的技术路径. 本文的主要贡献如下:

1) 提出一种基于分区设计的气动伸长单元结构方案, 有效避免弹性体内部接缝导致的伸长性能不一致问题, 结合3D打印工艺实现伸长单元的批量化制备, 提升单元的一致性与可重复性;

2) 设计一种受章鱼触腕肌肉结构启发的模块化气动关节, 并搭建实验测试平台对其末端轨迹特性进行系统验证, 证明该关节具备良好的差异化轨迹生成能力, 为多运动模式机器人的实现提供结构与运动基础;

3) 研制一种四足仿生爬行机器人, 设计并实现多种激励策略, 系统分析其运动轨迹特性, 通过爬行实验验证了机器人在不同激励条件下实现多运动模式切换的可行性与有效性.

图1  仿生爬行机器人设计思路

图2  正在变形和运动的章鱼

图3  章鱼触腕的横截面(在该切片中, 红色为结缔组织, 棕色为肌肉. 比例尺: 100 μm)

针对现有软体爬行机器人运动模式单一、推进方向受限等问题, 本文提出一种受章鱼触腕肌肉结构启发的三腔气动关节, 并在此基础上设计一种具有多种运动模式的仿生爬行机器人. 依托该气动关节, 本文研制的仿生爬行机器人成功实现了纵向爬行和横向爬行, 分别实现了142.54 mm/min和90.02 mm/min的移动速度, 在单一软体机器人平台上实现了两类典型自然爬行动作的集成. 本文提出的气动关节结构及其构建的多模式仿生爬行机器人为柔性机器人在复杂环境下的高机动性提供了一条可行技术路径. 未来可进一步结合闭环控制、多关节协调以及智能材料优化, 以提升机器人在真实应用场景中的稳定性、负载能力和环境适应性.

此外, 本文所提出的多腔气动关节结构及其模块化设计, 不仅适用于本研究中的横向与纵向爬行机器人, 同时也具有拓展至其他软体机器人应用场景的潜力, 如复杂结构攀爬、管道检测或受限空间运载作业等. 此外, 未来可通过优化材料选择、改进气路布局及增强控制策略, 实现更高运动效率、更强负载能力及更广适应性的多模式运动.

作者简介

刘晓华

湖南大学人工智能与机器人学院博士研究生. 2023年获得湖南大学硕士学位. 主要研究方向为软体机器人设计、建模和控制. E-mail: liuxh@hnu.edu.cn

王耀南

中国工程院院士, 湖南大学人工智能与机器人学院教授. 1995年获得湖南大学博士学位. 主要研究方向为机器人学, 智能控制和图像处理. E-mail: yaonan@hnu.edu.cn

冯运

湖南大学人工智能与机器人学院副教授, 机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心研究员. 主要研究方向为机器人数字孪生, 软体机器人建模与控制. 本文通信作者. E-mail: fyrobot@hnu.edu.cn

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