多腔体式仿生气动软体驱动器的设计与制作

近年来，与软体机器人相关的研究成为机器人学领域的一个热点[1-4]。由于软体机器人的主体以及其驱动执行部分主要为柔软材料(例如橡胶等高分子材料)，软体机器人的身体能够根据外界环境的不同而产生相应变形，从而具有很大的柔顺性[5]。目前软体机器人的研究主要以各种仿生机器人为主，其模仿的动物主要包括软体动物中的章鱼、昆虫的幼虫和环节动物中的蚯蚓等[6-9]。仿生软体机器人由于能够适应复杂的外界环境和条件，因此具有很大的应用潜力。

实现软体机器人仿生运动的关键是设计软体驱动器以实现特定方式的驱动。目前常用的软体驱动器主要以形状记忆合金、电致高分子材料驱动器和气动软体驱动器为主[10-11]。在这几种驱动器中，气动软体驱动器的应用较多，原因在于其原理简单、方式灵活、实现容易。因此，许多有代表性的软体机器人都采用气动驱动器, 例如麻省理工学院研制的一种仿蛇软体机器人[12]和日本大阪大学研制的仿蝠鲼软体机器人[13]等。在气动软体驱动方式中，McKibben气动肌肉曾经被大量研究及应用，其主要产生收缩运动，是一种很适合模仿骨骼肌的驱动器[14]。目前更加受到关注的气动软体驱动器结构形式，则以哈佛大学的PneuNet结构为代表，其主要产生弯曲动作，因此更接近于各种软体类动物的运动方式[15]。此外，基于蠕虫体内肌肉纤维的布置方式和身体变形原理，哈佛大学的Connolly等提出了一种单腔体绕线增强式软体驱动器结构，通过改变缠绕纤维的角度实现软体驱动器的不同变形[16]。

本文以目前常见的气动软体驱动器结构为基础，进行适当改进，提出并设计制作了一种多腔体式仿生气动软体驱动器。通过对该气动软体驱动器的进一步组合，得到了能够分别实现伸长和弯曲动作的驱动器。而弯曲和伸长运动是蚯蚓和尺蠖等动物运动的主要方式，因此所设计的软体驱动器能够为今后进一步开发仿生软体机器人提供基础。

本文所研究的多腔体式仿生气动软体驱动器是基于对无脊椎软体动物或者环节动物的仿生研究。无脊椎软体或环节动物由于缺少骨骼和关节，其运动和动作不是通过关节的转动实现的，而主要是通过静水骨骼方式实现的。静水骨骼方式是指软体动物在体内的体液体积保持不变的情况下，通过某一方向上的肌肉收缩，产生其它方向上的变形，从而实现身体的伸长、收缩以及弯曲[17]。因此，本文研究的多腔体式仿生气动软体驱动器应当具有能够实现弯曲或伸长/收缩的特性。

哈佛大学Shepherd等提出的PneuNet(气动网格)结构是一种能够实现弯曲的多腔体式气动软体驱动器(如图 1(a))[18]。当驱动器中间气腔充气后，在气压的作用下，气腔四周的弹性体发生膨胀变形，由于底层材料(图 1(a)中深色区域)弹性模量较上层弹性模量大，因此其上下侧的变形长度相差很大，从而使腔体产生向底侧的弯曲变形。哈佛大学研制的第1代四足软体机器人就是基于该结构[18]。

另一种具有代表性的气动软体驱动器结构是美国康奈尔大学的Peele等利用3D打印技术制作的气动软体驱动器[19]，如图 1(b)所示。该软体驱动器的内部具有A和B两气腔，2个气腔需要分别进行通气。当A腔通气时，驱动器整体向B腔方向弯曲；反之，B腔通气时，驱动器向A腔方向弯曲。由于该驱动器的外形为波纹结构，因此相比PneuNet结构，其可以在没有大的径向变形的情况下，产生较大的弯曲变形。

通过对前述的2种气动软体驱动器的分析来看，若要实现驱动器的弯曲，气动软体驱动器主要应满足如下几点：

1) 驱动器的材料在气压下能够产生较大的变形。因此，软体驱动器材料一般都采用高分子弹性材料，且以橡胶材料为主。

2) 气压作用下的材料形变能够通过特定的软体驱动器结构转化为软体驱动器整体的弯曲变形。

基于这2点考虑，为实现气压驱动下软体驱动器的变形，气动软体驱动器的具体结构可以有很多种形式，其不同的结构设计往往取决于对可靠性、灵活性、制作工艺及具体应用等方面的不同考虑。

基于目前现有主要气动软体驱动器的结构，综合考虑制作的方便性及驱动器的功能要求(能够实现弯曲或伸长等主要变形形式)，本文提出了如下几种多腔体式气动软体驱动器的结构。

1) 伸长驱动器。

所提出的伸长驱动器结构及外形示意图如图 2所示，其中驱动器长度L=88 mm，驱动器的外径Do=42 mm，驱动器外形呈现波纹管形式。该驱动器内部由多个相同的单元组成，每个单元中间有一个空腔。各个单元的腔室之间由气路连接。

伸长驱动器的工作原理如下：当腔室内部气压增加后，由于压力作用下的径向截面积远大于压力作用下的轴向截面积，腔体内部产生膨胀，且其膨胀主要以轴向为主，因此，整个驱动器产生了轴向伸长变形。其内部腔室变形示意图如图 3所示。

为研究该驱动器伸长长度和结构尺寸之间的关系，进行了如下的估算和分析。

未充气时，每个单元内部腔室的直径为Di, 腔室的厚度为b(如图 3(a))。当腔体在压力作用下膨胀时，假定材料的伸长变形量很小，且假定每个单元腔体内部的变形如图 3(b)所示。则当腔室径向截面积和轴向截面积正好相等时(即认为图 3所示腔室截面在周长保持不变的前提下，在水平和垂直方向的投影长度相等)，可以推出单个单元的变形量为:

由式(1) 可见，b相比Di越小，驱动器的伸长量就越大，且当b远小于Di时，其伸长量主要和驱动器单元腔的直径Di有关。单元腔的直径越大，伸长量也越大。

公式(1) 是在没有考虑橡胶材料的伸长变形量时得到的，虽不能准确给出驱动器的伸长量，但对于驱动器的尺寸设计具有定性指导作用。

2) 单向弯曲驱动器。

所设计的单向弯曲驱动器的结构如图 4所示。其结构可以看作是图 2结构的半部分。该驱动器整体长度为88 mm，驱动器截面半圆的直径为42 mm。

单向弯曲驱动器基本原理如下：当驱动器内部腔室压力增加后，驱动器上半部波纹结构能够产生较大的伸长变形，而驱动器下半部分产生的伸长变形则相对较小，因此驱动器整体产生向下半部分的弯曲变形。

由于本身结构的复杂性，单向弯曲驱动器弯曲角度的分析相比伸长驱动器的变形分析更为复杂，但是可以有如下定性结论：1) 腔室数量越多，驱动器越容易产生弯曲变形；2) 腔室截面半径越大，也越容易产生弯曲变形。

3) 双向弯曲驱动器。

所提出的双向弯曲驱动器的结构如图 5所示。其外形及尺寸参数和伸长驱动器相同，但内部的上下腔之间互不相通。其结构可以看作是将2个单向弯曲驱动器通过共享底面的形式结合在一起实现的。

双向弯曲驱动器的工作原理和单向弯曲驱动器的工作原理类似。这种结构的驱动器通过控制2个腔压力的不同，使驱动器上下部分膨胀后的长度不同，从而实现驱动器的弯曲。由于既可以实现驱动器向不同方向的弯曲，又能控制其刚度的变化，因此其更具有灵活性。这种形式的驱动器可以用来模仿蚯蚓等蠕虫的身体弯曲运动。

下面对双向弯曲驱动器理论最大弯曲角度θ进行分析。图 6是驱动器弯曲到极限角度时的示意图。角度θ越大，说明驱动器的弯曲程度也越大。

假设驱动器的波纹间距为l，端面直径为Do，波纹的波谷数量为n，则该驱动器最大的理论弯曲角度在其一端波纹都互相接触且没有压缩变形时发生(图 6所示)。在假设驱动器的中心轴线长度保持不变的前提下，可以推导得到最大弯曲角度为：

由式(2) 可知，驱动器的最大弯曲角度与驱动器直径成反比，与波纹间距及波谷数量成正比。

目前软体驱动器普遍采用硅橡胶材料，主要是由于硅橡胶具有安全、弹性好及能够在室温下进行硫化等优点。

从成本角度考虑，本文采用普通硅橡胶材料601。硅橡胶601为双组份缩合型室温硫化硅橡胶，该橡胶为最常见的室温硫化硅橡胶，其硫化反应不是靠脱离空气中的水分，而是靠催化剂来引发固化。在所用的硅橡胶原料中，硅生胶、填料和交联剂作为一组，而固化剂作为另一组。其中固化剂的作用是通过催化剂与主体聚合物进行反应，最后形成交联度较高的网状结构[20]。为实现硅橡胶的成型，需将2组原料混合。

经固化剂和硅生胶等混合后的混合液体，需要注入模具中经一段时间才能最终成为固体状。因此多腔体式仿生气动软体驱动器的制作涉及模具的设计和制作，而结构合理的模具能够决定最终软体驱动器的制作质量。

对硅橡胶成型模具的设计应考虑如下几个因素：

1) 模具腔体应为封闭或者半封闭式，以保证硅橡胶混合液体在固化之前不会泄漏。

2) 模具结构应能保证成型固化后的实体容易脱模。

由于本文所设计的多腔体式仿生气动软体驱动器的内部存在空腔，若想整体制作该封闭空腔，则无论在成型以及脱模方面都存在较大困难。为此，本文提出先制作驱动器的半边实体结构，且该实体的底部为开放式。该实体经固化成型后，通过硅胶黏合剂连接底片，可以得到单向弯曲驱动器。而将上述2个实体组合后可以得到伸长驱动器。将2个单向弯曲驱动器实体通过底面粘合在一起，则可以得到双向弯曲驱动器。这样本文提出的3种驱动器可以只通过1种主要模具来制作。

制作多腔体式仿生气动软体驱动器的模具如图 7所示。图 7中，主模具实现软体驱动器外形的形成，空腔模具用来形成驱动器内部的腔室及气体通道。

该模具经三维建模软件设计出结构后，通过3D打印机进行打印。模具采用的材料为PLA(聚乳酸)。经3D打印制作出的模具如图 8所示。

气动软体驱动器的制作流程图如图 9所示。

其具体制作过程如下:

1) 胶液混合。

以硅橡胶母料100 g为准，需配3 g左右固化剂，放在一起进行混合搅拌。为减小气泡混入造成的影响，应保证始终以顺时针或逆时针方向搅拌。硅橡胶母液和固化剂比例的不同会对硅橡胶硬度和固化时间有影响。固化剂使用量少，固化的时间会延长；若固化剂使用过量，成型后的硅胶会变得较硬，力学性能变差[20]。

2) 注入模具及固化。

将充分混合后的胶液慢慢注入主模具中，并在即将注满时，将空腔模具插入胶液中置于主模具上方。上述工作完成后，将模具静置。

硅橡胶的初步凝固时间约为15 min，而其完全凝固时间随所填固化剂(硫化剂和催化剂)用量的不同而不同，且温度对固化时间也有影响。为保证固化的质量，可以在静置24 h后进行脱模。

3) 脱模。

本文所采用的硅橡胶对PLA材料的模具具有较好的脱模性。脱模时先拔出上方的空腔模具，打开主模具侧盖，再将软体驱动器小心地从主模具中拿出，则气动软体驱动器主体制作完成。

图 10所示是经固化后的气动软体驱动器实体。

前面制作的多腔体式仿生气动软体驱动器实体需要根据最后所需软体驱动器形式进行进一步处理。主要过程包括通过胶粘加上底面来制作弯曲驱动器(如图 11所示)，或者将2个实体粘在一起进行组合来制作伸长驱动器等，且需要在制作的所有驱动器端部固定通气管。

图 12是最终完成的伸长驱动器及其充气伸长状态的实物图。

图 13是单向弯曲驱动器及其充气弯曲状态的实物图。当加大气压，该驱动器可以弯曲到底面前后两端几乎相接触的程度。

图 14是双向弯曲驱动器及其充气弯曲状态的实物图。其中图 14(b)是驱动器在单侧腔通气情况下，驱动器的弯曲情况。其单侧弯曲极限角度要小于单向弯曲驱动器的极限角度。

多腔体式仿生气动软体驱动器的基本特性测试实验原理如图 15所示。通过控制比例压力阀的压力大小实现气动软体驱动器的变形。比例压力阀的控制信号由Arduino板发出。驱动器的压力通过压力传感器检测后送到Arduino板进行A/D转换后传到计算机。

1) 伸长驱动器的特性。

对伸长驱动器处于垂直状态时的空载及加载下(负载分别为20，50，100 g)的压力与伸长量之间的关系进行了测试，测试结果曲线如图 16所示。图中，压力为0时对应的长度为驱动器初始长度。可以看出，随着压力的增加，驱动器的变形量与压力之间基本成线性关系。根据试验数据可知，驱动器在15 kPa压力下，在不同负载下的伸长率约为40%~60%。

2) 单向弯曲驱动器的特性。

对单向弯曲驱动器进行了自由状态下的弯曲变形测试。该变形的测试在坐标纸上完成。测试出的不同压力下的变形曲线如图 17所示。由图中变形曲线斜率的变化可看出，随着压力的增大，弯曲驱动器的弯曲程度不断增大。实际测试时，单向弯曲驱动器可以最大弯曲到前后端接触的程度。

3) 双向弯曲驱动器的特性。

对双向弯曲驱动器的特性进行了测试，结果如图 18。由于驱动器在2个方向上的变形与压力之间的关系是对称的，因此只给出了单方向的变形曲线。由图中变形曲线斜率的变化来看，压力越大，驱动器的弯曲程度越大。在相同压力的情况下，双向弯曲驱动器变形要小于单向弯曲驱动器的变形。

本文提出了一种多腔体式仿生气动软体驱动器的基本结构，并对其基本制作方法进行了研究。所制作出的软体驱动器经过不同的组合可以分别实现弯曲和伸长等变形。经实验测试，所设计的几种气动软体驱动器在15~20 kPa压力下能够实现较大的弯曲或伸长变形，且驱动器本身具有很大的柔性，因此可以用于软体机器人的设计中。