北京大學(xué)：具有地形自適應(yīng)和兩棲著陸能力的全 3D 打印烏龜啟發(fā)軟機器人

供稿人：逄煥浩、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

由于兩棲機器人使用相同的系統(tǒng)在陸地和水中移動，它們對安全、工業(yè)、國防和交通運輸產(chǎn)生了重大影響。在過去的數(shù)十年，使用柔性材料和順應(yīng)性來實現(xiàn)復(fù)雜運動的軟機器人已被證明是有前途的，它們可以簡化與復(fù)雜環(huán)境的交互并以安全的方式與人類交互，此外，軟機器人為非電子機器人提供了在特殊環(huán)境下運行的可能性。特別是，軟機器人對外部沖擊具有很強的彈性，可以在惡劣的環(huán)境中有效地工作。此外，軟機器人具有通過避免機械部件（例如傳統(tǒng)機器人中廣泛使用的硬鏈接）來簡化其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有的軟性兩棲機器人仍然需要人工輔助才能實現(xiàn)兩棲運動（從水中移動到陸地，反之亦然）。

針對上述問題，北京大學(xué)的研究人員使用3D打印開發(fā)了一種仿生兩棲軟機器人 (BASR)，其靈感來自兩棲動物（烏龜）的腿?；贐ASR的關(guān)節(jié)設(shè)計，腿在3D空間的水平、垂直和兩個方向的組合中產(chǎn)生位移。通過水平移動，BASR能夠向前移動，而在垂直方向，BASR可以抬起它的腿或身體來克服障礙。BASR只需使用四個氣動輸入端口即可產(chǎn)生六種步態(tài)，以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。依靠BASR步態(tài)的切換，可以分別實現(xiàn)在陸地（剛性地形、丘陵、縫隙、斜坡、碎石、沙地、泥濘地形）的運動和水面的游泳。此外，鑒于其仿生腿的大變形和快速響應(yīng)，BASR在運動速度方面具有顯著優(yōu)勢，直線運動速度為每秒0.97體長（BL s-1），轉(zhuǎn)彎運動速度（25.4°s -1）。該機器人在現(xiàn)有的軟爬行機器人中具有最佳的整體性能，例如向前運動和轉(zhuǎn)彎速度。

如圖1(a-e)所示,在陸地或水下旅行時，它的腿從圖1(b、c)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。如圖1(d、e)所示，兩段式彎曲致動器由兩個垂直的氣室組成，氣室之間的連接充當(dāng)仿生關(guān)節(jié)。它的靈感來自烏龜?shù)耐汝P(guān)節(jié)。因此，執(zhí)行器可以通過單一的驅(qū)動壓力輸入成功實現(xiàn)3D運動。仿生烏龜軟體機器人（圖1(f)）模仿烏龜?shù)耐?，可以抬起身體越過障礙物并獲得前進(jìn)的動力。仿生腿的 CAD 模型及其橫截面圖如圖1(g)所示。兩段式彎曲執(zhí)行器包括左氣室和右氣室。仿生腿的設(shè)計總長度為L = 76.5 mm；“右氣室”的長度為 L1 = 35 mm，壁厚 T = 1 mm。仿生腿使用FDM進(jìn)行3D打印，如圖1(h)所示，重12.5 g。圖1(i)展示了制造的軟兩棲機器人。它主要由四個仿生腿組成，由兩節(jié) 彎曲致動器作為腿，以及一個 SLA 3D 打印的外殼（125.6 克）作為可更換的身體（軀干）。

圖 1受烏龜啟發(fā)的仿生腿和柔軟的兩棲機器人設(shè)計。 (a)陸龜可以進(jìn)行兩棲運動。在陸地或水下行駛時，它的腿可以從(b)中的狀態(tài)過渡到(c)中的狀態(tài)。(d,e)受腿部啟發(fā)的兩段式彎曲致動器。它可以從(d)中的狀態(tài)過渡到(e)中的狀態(tài)，類似于烏龜腿。(f)受烏龜啟發(fā)的軟體兩棲機器人的整體外觀。(g)仿生腿的 CAD 模型及其橫截面圖。(h) FDM 3D 打印軟仿生腿的制造過程。(i)軟兩棲機器人的照片。

該兩棲機器人運動機制為：四個氣動軟彎曲執(zhí)行器由外部空氣壓縮機 (OTS-550 × 4) 驅(qū)動，通過四個軟管連接到機器人。每條腿的運動由連接到每根管子的一個電磁閥控制。閥門由和繼電器直接控制（圖 3a）。隨著施加的驅(qū)動壓力變化（紅色代表負(fù)壓；藍(lán)色代表正壓；同樣如此, 下），仿生腿向不同方向彎曲（圖 3b）。為了使機器人在不同的復(fù)雜工作環(huán)境中可操作，我們通過驅(qū)動具有不同序列的四個仿生腿來研究六種步態(tài)（圖 3c）。烏龜?shù)耐韧ㄟ^踩在地上并交替抬起前后腿來直線移動。右轉(zhuǎn)時，烏龜以右腿為軸保持不動，而其他三只腿移動轉(zhuǎn)向。步態(tài) 1、2 和 3 是通過學(xué)習(xí)烏龜?shù)倪\動步態(tài)開發(fā)的，這使BASR能夠?qū)崿F(xiàn)類似于烏龜?shù)倪\動行為。此外，步態(tài)4、5、6已經(jīng)獨立開發(fā)，以適應(yīng)不同的環(huán)境。步態(tài) 6 可以與步態(tài) 1 結(jié)合，實現(xiàn)類似于海龜游泳姿勢的兩棲著陸。

圖2 BASR 運動機制示意圖。 (a) 每條腿的運動由連接在每根管子上的一個電磁閥控制。閥門由繼電器直接控制。( b)隨著施加的驅(qū)動壓力的變化，仿生腿向不同的方向彎曲（紅色代表負(fù)壓，藍(lán)色代表正壓），從而導(dǎo)致機器人連續(xù)運動。 (c) 通過以不同的順序驅(qū)動四個仿生腿，開發(fā)了六種步態(tài)，使機器人能夠在不同的復(fù)雜工作環(huán)境中運行

盡管該兩棲運動軟體機器人具有非常高的地形適應(yīng)性與高直線速度與轉(zhuǎn)彎速度，顯示出在非機構(gòu)化環(huán)境中的導(dǎo)航能力，表現(xiàn)出其在搜索、偵察等局勢領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。然而，其在工作時需要一個外部氣泵，這限制了其在實際應(yīng)用中的功能，因此開發(fā)一種帶有板載電源和控制電路的完全不受束縛的軟體機器人將進(jìn)一步推進(jìn)該兩棲機器人的實際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
A.Wu M, Xu X, Zhao Q, et al. A Fully 3D‐Printed Tortoise‐Inspired Soft Robot with Terrains‐Adaptive and Amphibious Landing Capabilities[J]. Advanced Materials Technologies. 2022: 2200536. https://doi.org/10.1002/admt.202200536