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使用流体弹性体致动器能够机动逃脱的自主软机器鱼
作者：Andrew D. Marchese, Cagdas D. Onal, and Daniela Rus
- 摘要
在这项工作中，我们描述了一个自主的软体机器人，它既独立又能快速、连续的运动。我们详细介绍了软体鱼的设计、建模、制造和控制，重点是使机器人能够执行快速逃逸响应。 机器人采用具有嵌入式致动器的柔顺体，所述致动器模仿鱼的细长解剖形状。 此外，机器人具有驱动身体运动的新型流体致动系统，并且具有传统机器人的所有子系统：动力、致动、处理和控制。鱼类软体的核心是一系列流体弹性体致动器。除了向前游泳外，我们还设计鱼来模拟逃生反应，因为这样的动作需要快速的身体加速度和连续体运动。这些动作展示了这种独立机器人的性能。分析了机器人在模拟逃逸响应机动过程中的运动学和可控性，并与生物鱼的研究结果进行了比较。我们发现，在逃逸反应过程中，软体机器人的输入输出关系与生物鱼相似。这项工作的意义主要在于，我们展示了软机器人既能独立自主，又能快速运动的特性。
- 介绍
身体顺从是许多自然系统的一个显著特征。柔顺机构对不确定性具有固有的鲁棒性，对环境变化具有适应性，并具有重新定向和分配作用力的能力。在这项工作中，我们通过提供一种创建和控制自主、独立、软体系统的方法，来推进软机器人技术。具体地说，我们介绍了一种新型的自包含射流驱动系统和用于传递连续运动的控制算法。通过构建一个由机载上能源提供动力的自主软体机器鱼。这种鱼是新颖的，因为它使用了一个软连续体和一个创新的流体驱动系统的软体和机载。连续体具有嵌入柔性脊柱和解剖学上成比例的嵌入肌肉状致动器。在逃生响应下，该机器人具有向前游泳和敏捷动作的能力特性。选择此类鱼作为案例研究，是因为它自然地表现出连续体弯曲，能够在逃逸响应期间的快速的运动，拥有在液压动力阻力下的弯曲柔性后部，和适用于容纳刚性支撑硬件的前部。
在一系列实验中，我们对这种柔性机器人的向前游泳和逃生反应进行了评估。收集了大量关于逃逸响应的运动学数据，并将机器人的性能与生物鱼的各种研究进行了比较。我们展示了我们的机器人系统，即使在不同的时间尺度上，也能够模拟逃逸响应的基本结构，并且所执行的机动具有类似于在生物鱼中观察到的输入-输出关系。
逃逸响应机动的特征是在非常短的持续时间内快速的身体加速度，并且通常在最初身体会弯曲成“C”形。在脊椎动物中，存在很多快速的动作并且它们经常作为研究的主题。鱼类在逃逸反应机动中表现出的极其敏捷的行为是捕食者-猎物相互作用的结果，因此逃逸反应性能具有显著的生态意义。近年来，对机动的流体力学进行了深入的研究。
图1。软体机器鱼的细节。顶部:鱼的背 视图，如图：( A )刚性前部，( B )质心，
( C )前躯干肌肉状致动器对，( D )不可伸展的脊椎动物样约束，( E )后躯干致动器对，和( F )被动尾鳍。中心:该机构的横截面图，显示( G )流体弹性体通道，其分组为拮抗致动器，( H )柔性约束层，以及( I )激动致动器中的加压弹性体通道。底部:机器人的分解图，详细描述了( J )硅树脂蒙皮，( K )通信和控制电子器件，( L )压缩气瓶和调节器，( M )流量控制阀，( N )致动器入口，( O )塑料机身，( P )视频成像标记，以及( Q )硅树脂弹性体行李箱。
性能和自主性是流体动力软机器人的竞争目标。一些流体驱动的软机器展示出很有前景的能力，例如行走和跳跃，但主要有笨重的外部硬件驱动，限制了其实际使用。相反地，存在自包含流体的软机器人实例；然而，由于将所有支撑硬件都放在机载上，与刚体机器人相比，这些机器人的性能受到严重限制。这项工作所面对的主要技术挑战是如何使软体机器人同时能够快速实现连续体运动和自给自足。我们通过设计和制造一种能够模拟鱼类逃逸响应的软机器鱼，来说明我们所提出的技术方法，因为这种机动体现了快速和连续体运动，并且表现出鱼类中看到的最高加速度。
软式机器鱼表现出的连续运动，是传统刚性体机器鱼无法实现。尽管存在许多著名的机器鱼，但是这些现有的机器人系统是通过固定关节连接的刚性段组成主体，因此在敏捷逃逸响应机动期间，不能再现观察到的主体运动学。先前试图重新创建逃逸响应的尝试，是使用了由多个位置控制的刚性连杆组成的主体；然而，这种完全致动的刚体系统不能捕获逃逸响应期间机动的连续运动。
我们的研究利用了生物激励的灵活后验技术，在此基础上来创造机器鱼。外部机器人致动器驱动的自推进柔性箔已经被劳德和其同事研究过。巴尔迪维娅·阿尔瓦拉多和尤塞夫-图米运用运动学原理，完成了模拟自然鱼游动的机器鱼的设计。机器鱼丝状体具有柔顺的后部，并且用作鱼状感测和移动的测试床。这两个系统都是电缆驱动的，并由机载伺服电机驱动，但缺乏自主性，需要外部电源。最近，研究人员开发了一种缆索驱动的柔性弹簧钢脊柱，用于模拟逃逸响应行为；然而，该系统电机、控制系统和电源在设备外部时，其运动受到限制。朗等人，已经开发了柔性仿生脊柱用来推进一个自主的水面游泳机器人，可以执行逃逸响应。同样，可以使用单个伺服马达来致动柔性脊。虽然该系统是自主的，但是相对于上述研究，只有身体的一小部分是柔性的，即它的后尾巴，并且因为它的大前部是表面血管，所以该系统限于表面游泳。值得注意的是，上述柔顺体机器鱼基于传统机电致动器驱动的被动柔性机构的原理操作，并且它们被设计出来主要是去理解柔性体的流体动力学。然而，在这项研究中，我们的主要目标是开发一种流体致动系统，该系统嵌入在柔性主体内，从而在完全自给自足的系统内产生柔顺且活跃的主体。在先前工作的基础上，我们引入了顺从的主动身体游泳机器人。沈等人，已经把一条离子聚合物-金属复合材料的振荡条作为海豚状机器人的后躯干。这是一个自由游动的机器人，但同样受到外部系绳的限制。也许最接近我们工作的先驱是Festo开发的Airacuda鱼。该机器人具有柔性本体并且由流体致动器驱动。与我们的系统类似，流体和电子元件位于鱼的刚性前部，其致动器沿着其柔性躯干的长度延伸。然而，这个系统在设计上与我们的有很大的不同。它是由一个由柔性皮肤覆盖的塑料骨架组成，沿前后轴有两个致动器，而我们的身体几乎完全由软橡胶组成，沿前后轴有许多致动器嵌在背腹方向(见材料和方法中的致动部分)。另一个区别是Airacuda可以使用机载气动驱动系统进行静态潜水和游泳，而这里介绍的鱼的重点是向前游泳和平面逃逸响应。本文所介绍的工作不同于先前在设计、制造和控制方面的工作，它能够实现软体机器鱼的新自主能力。具体而言，本文的主要贡献包括:
- 一种快速实现连续体运动的新型射流软驱动系统
- 一种用于设计、制造和控制自主的、自给式软体机器人的方法
- 一个独立的软体机器人装置，它体现了我们的软体机器人方法，模拟生物鱼的向前游动和平面逃逸动作，并对机器人进行实验评估
- 材料和方法
系统概述
软体机器鱼的一个决定性特征是驱动力与系统其余部分的分离，具体地说，是利用加压流体形式的机械能而不是电能来驱动。机器鱼的主体(图1C - E，G - I和Q )完全由流体弹性体致动器( FEAs )组成，流体弹性体致动器由加压流体直接提供动力，因此在致动器处不发生能量转换。然而，为了控制流体系统，支撑阀硬件也结合到架构中以电寻址和隔离机械致动系统。
软机器人具有常规机器人的所有子系统: 致动系统、动力系统、驱动电子设备以及计算和控制系统。这些系统(图1K - N )存储在鱼的刚性前部区域( A )中，该区域在逃逸响应期间对身体曲率的贡献最小。这些子系统中的技术进步使得软体机器人能够在水下自主操作。
驱动
有限元分析技术构成了软体机器鱼的核心。FEAs是在流体压力下弯曲的弹性体模块。弯曲使用两层双晶片结构来实现。加压气体使嵌入弹性体层内的流体通道膨胀，而不可伸展但柔性的第二层用于限制由膨胀通道沿一侧产生的轴向张力。这将弹性体中的横向应力转换成弯矩。此外，可以使用三层来形成双向弯曲FEA :不可伸展的约束层夹在激动性和拮抗性膨胀层之间，如参考文献中所证明的。这种双向FEA结构对于软机器鱼是基本的(参见图1 G，激动层；H、约束层；I，拮抗层)。然而，在这项工作中，我们通过放弃简单的矩形形状并创建符合鱼的复杂解剖形状的FEAs来改进FEA技术。锥形双向FEA的结构和工作原理示意性地示于图2中。
在他们的模型中，onal和同事们利用通道的物理特性和内部致动器压力Pa来描述矩形FEA的总弯曲角theta;
（1）
这里，n是通道的数量，omega;是通道宽度，ε是材料应变和材料应力sigma;的非线性函数，最后，ha和hc分别是致动器和通道的恒定高度。然而，由于我们的致动器与具有均匀通道的矩形致动器有很大不同，我们开发了一种新的模型。通过扩展参考文献中提出的模型。为了包括可变通道高度以及径向应力(即，垂直于不可延伸约束层)，我们可以静态地模拟锥形FEA的不均匀弯曲(图2 )。具体地，在给定嵌入信道n (表示为theta;n )之后沿着致动器长度的累积角度可以被估计为先前信道和Pa的物理特性的函数，
（2）
（3）
这里，是通道索引，和是索引通道的构造角度，和表示索引通道的初始宽度和变形宽度，和表示索引通道的初始高度和变形高度。这些参数如图2C所示。重要的是要注意，这种简化的静态模型假定通道完全通过延伸它们的侧壁和顶壁变形，并且这些壁应力基于初始通道几何形状。实际上，壁应力随着通道表面变形而变化。因此，该解析模型对于小变形是最有效的，即当压力较低并且实际应力与从初始通道几何形状计算的应力近似时。该模型还忽略外力，例如由致动器的对抗性半部产生的压缩力。在图2D中，我们示出了覆盖在致动器实际弯曲顶部上的鱼的前致动器的预测弯曲。这里，被预测为52度，但是被测量为大约45度。表1列出了该实验的致动器特定参数值。
( A )三层结构:对称的激动剂( 1 )和拮抗剂( 3 )膨胀层，它们夹着不可伸展但柔性的约束层( 2 )。这里，嵌入式通道组处于减压状态。
( B )加压气体(红色)，扩大激动通道组。由于约束层的存在，流体压力引起弯矩产生曲率。
( C )模型参数。
( D )覆盖在致动器实际变形顶部的鱼的前致动器的预测曲率。
FEA，流体弹性体致动器。
图2：锥形双向FEA截面示意图
表1. 软前致动器的物理参数
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参数 数值 |
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Pa 55.8kPa n 16 h1 18.6mm h16 11.8mm ha-h1 2.5mm ha-h16 1.8mm omega; 2.5mm theta;[n] 52° |
这种静态分析表明，通过独立地改变嵌入通道的高度，可以获得物体的净复曲率。曲率轮廓可以机械地“编程”到鱼的身体几何形状中。这种结构用于简化计算控制输入。例如，可以使用单个二进制控制输入来驱动机器人的身体通过复杂的表1运动学轮廓(图7 )。
在本案例研究中使用的机器鱼采用四种硅酮FEA，它们被模制以复制天然鱼的细长解剖结构，从而产生受驱动但可连续变形的身体。致动主体跨越机器人总长( 30.5 cm )的43 %至100 % (图1，顶部)。嵌入的流体通道被分成独立致动的两对:在叉长度的45 %至70 %范围内的激动和拮抗的前主干对(图1C )和在叉长
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