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。基于BASR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)耐龋�可以抬起身體越過障礙物并獲得前進的動力。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（紅色代表負壓；藍色代表正壓；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（紅色代表負壓，藍色代表正壓），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一步推進該兩棲機器人的實際應(yīng)用。

參考文獻：
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