“软机器”和试件（食品）的心理敏感性

本文定义了一种新的敏感度：心理敏感度。并发现“软机器”的适应现象和粘弹性降低系统的敏感度，而试件的粘弹性则增加系统的敏感度。

可穿戴电子设备及软机器人制造工艺的研究现状

回顾了用于制造可穿戴电子设备及软机器人的材料及制造工艺。总结了应用于可穿戴电子设备及软机器人制造的各种制造工艺,它们都是将用于实现各功能的元器件通过制造工艺集成在柔性基体或基板中,这些工艺包括新纳米材料技术、转印技术、形状沉积制造和软光刻技术。描述了这些工艺的特点,同时指出它们将朝着三维立体化、标准化及工业化的方向发展。为选择可穿戴电子设备及软机器人的制造工艺并开发新工艺提供了参考,从而能设计制造出新型的柔性设备。

硫酸纸的湿度响应特性及其在软机器设计中的应用

硫酸纸具有较好的湿度响应特性,研究了其变形机理,设计了智能结构,并将其应用于新型软机器的设计。首先,对硫酸纸的微观结构以及力学性能进行了表征分析,表明其纸平面具有各向异性,可实现卷曲、螺旋等运动模式,给出其变形机理;设计了一款可自折叠立方体智能结构,并通过有限元分析与实验相结合验证了其可行性;其次,提出了基于智能纸张的软驱动器,并应用于水下自适应软体抓手设计,其无需外接细绳输入,依靠湿度环境就可以实现运动控制,且最大可提升比自身重45倍的物体;最后,带式蠕动机器人可在稳定的环境下实现连续性运动,速度可达到每秒0.06倍体长。该智能材料在软机器领域具有良好的应用前景。

基于连续体结构的软机器人驱动系统设计

目的针对弯曲、复杂、狭窄的非结构化环境的经自然腔道内镜手术提出了一种基于连续体结构的软机器人驱动系统的设计。方法设计一款具有线控连续体结构的机械臂,用有限元方法优化各参数设置。使用具有弹性的中空套管作为主干,预留空间便于携带微型或小型手术器械。配置具有触觉反馈的操作手设备,通过操纵操作手带动机械臂联动,开启手术以此获得术中的力反馈。结果连续体结构具有较大的变形能力,弯曲角度约90°,系统可以按照所规划的路径进行运动。结论该系统具有尺寸较小、结构简单、可集成度高等优点,可以很好地适应弯曲复杂的狭窄空间。

仿生结构在软机器人中的应用

与传统的硬机器人相比,软机器人部分或全部由软材料组成,因此具有更强的稳定性和适应性,并且在与人和环境交互时更为安全。自然界中的各类生物均为软体结构,经过自然演变,可以适应复杂的环境,因此这些生物的身体结构和运动方式天然地可以为软机器人的设计提供灵感。文章首先介绍软机器人的制作,然后从结构仿生和功能仿生两方面综了仿生结构在软机器人中的典型应用,为软机器人的设计提供思路。

软体机器人在服装领域的应用进展

软体机器人由可变形材料制成,具有柔顺性高、适应性强等优势,现已成为机器人领域的研究热点,并在加速服装智能化进程中发挥重要作用。为促进软体机器人技术与服装领域的融合发展,根据当前软体机器人的研究进展,聚焦于软体机器人关键技术,总结其在制作材料、制作方法、驱动方式及控制与建模4个方面的研究现状;对软体机器人在纺织面料抓取与转移、上肢辅助及下肢辅助服装上的应用情况进行综述。研究认为:可利用智能软材料和微加工技术实现控制元件微型化;结合织物性能特点提高面料自动抓取与落料精度;可穿戴软体机器人在优化设备技术性能的同时,要对整个人机系统进行持续评估和迭代开发,提高人机交互便捷性,以促进软体机器人行业与服装领域的深度融合。

软体机器人在康复训练领域的应用

针对传统的刚性机器人存在适应性差、灵活性低、操作和携带不便等问题,介绍了软体机器人在康复训练领域的应用前景。首先,依据软体机器人的来源,对其所使用的材料、驱动技术、传感和控制等关键技术进行介绍和分析;其次,归纳目前软体机器人在人体不同部位执行康复训练任务的研究和应用现状;再次,从材料、结构和控制等方面介绍了康复训练软体机器人所面临的问题;最后,对康复训练软体机器人的未来发展和应用进行展望,以期为康复训练软体机器人的后续研究提供参考。

高压输电线软体巡检机器人磁致动机制及PI滑模控制研究

为解决高压输电线刚性悬臂巡检机器人尺寸大、笨重、越障不灵活、效率低等问题,设计一种高压磁致动软体巡检机器人,利用载流线圈在高压直流环形磁场中受到的安培力驱动软体机器人以柔顺和蠕动方式高效灵活地跨越多种障碍物。对该机器人进行本体构型设计并分析其工作姿态,实现稳定巡检功能;对磁致动驱动器进行理论设计和分析,利用Comsol仿真软件对其所需驱动力进行仿真,验证理论的可实行性;通过拉格朗日法对高压磁致动软体巡检机器人进行动力学建模,构建系统动力学方程,获取机器人的关节角度、速度、加速度之间的关系;最后,通过MATLAB利用基于PI滑模控制法对简化后的高压磁致动软体巡检机器人动力学模型实行速度和角速度高精度追踪仿真。仿真结果表明:在滑模控制下,角度在1.5 s追踪上理想信号,角速度在0.3 s后追上理想信号,证明基于PI的滑模控制器能够实现对高压磁致动软体巡检机器人的有效控制。

一种仿人手软体康复机器人结构设计与实验

文章针对手部康复训练提出一种偏心波纹管软体致动器结构,研制出一款具有镜像疗法功能的手部康复软体机器人。设计该偏心波纹管软体致动器结构的波峰、波谷中心存在一定的偏心距,以减少其在变形过程中的能量损耗,提高与人手的适配性;基于镜像疗法进行手部康复软体机器人控制系统的设计,使该系统具有主动康复训练、被动康复训练和镜像康复训练3种工作模式。抓取实验、指尖输出力测试以及镜像训练实验的结果表明,所设计的手部康复机器人具有较好的稳定性和顺应性,能够满足手部功能障碍患者的康复训练需求。

双模式形变驱动变构软体机器人

当前软体机器人利用单类型执行器组合形成某种特定构型,无法通过改变构型适应可变环境.为提高软体机器人的环境适应能力,结合收缩和弯曲的双模式形变驱动机理,利用两种执行器构建多类型的可变构型软体机器人,借助正负压驱动控制系统,实现多种运动和操作功能.提出海绵基体结合束缚层的收缩形变和弯曲形变驱动方法,设计对立面束缚的收缩形变单元及对立面和底面共同束缚的弯曲形变单元.组合收缩形变单元和弯曲形变单元,构造仿尺蠖爬行软体机器人和手足复用软体机器人.提出结合负比例阀和电磁阀的正负压气动控制系统,输出负压驱动收缩形变、弯曲形变和吸盘吸附;输出正压控制形变单元的快速恢复,实现变构型软体机器人的驱动控制.抓取、爬行、爬坡、转向、转向直行和爬管实验结果表明,仿尺蠖爬行软体机器人能在23°斜坡上爬行,手足复用软体机器人能抓取1.2 kg物体,进而验证变构型软体机器人的环境适应和功能复用能力.

一种多运动模式的软体爬行机器人

为了提高软体机器人对复杂地形的适应能力,提出了一种具有多运动模式的软体爬行机器人。首先,分别利用聚乙烯材质与聚丙烯材质的波纹管设计了软体爬行机器人的转向伸缩执行器与弯曲执行器,并通过浇注成型与3D打印技术制造了软体爬行机器人样机;其次,分析软体爬行机器人的平面直行、平面转向和平面杆过渡等运动模式,研究了软体爬行机器人的运动步态规律;再次,基于常曲率假设,分析压强与执行器弹性变形的关系,建立了执行器的运动学模型;最后,通过运动学试验,验证了执行器运动学模型的正确性,检验了软体爬行机器人在多模式下的运动能力。

基于视觉的软体机器人位姿测量与控制

气动软体机器人具有良好的灵活性和安全性,适合在非结构化的复杂环境中执行任务。因为很难在软体机器人上安装传感器来直接测量形状和位姿,故难以实现精确的位置控制,其运动精度一般远低于传统刚性机器人。针对上述问题,提出了一种基于视觉的软体机器人形状重建、位姿测量以及逆运动学控制的方法。实验结果表明,采用该方法的软体机器人末端执行器位置的均方根误差小于6 mm,测量关键点位置误差小于2.80 mm,整体形状的位置偏差为1.67 mm,弯曲角度、偏转角度平均误差分别为3.6°和3.4°,控制到达期望位置和角度的最大误差分别为3.47 mm和0.24°。实验结果表明所提出的位姿测量和控制方法对提高软体机器人的运动精度和工作能力有很大的作用。

纺织基软体机器人结构设计与驱动性能研究

针对现有软体气动机器人制备成本高、设计灵活性差、功率密度低、控制技术复杂等问题,文章以鞘芯结构的涤纶∕氨纶弹性纱为基材编织针织罗纹组织,以涤纶纱为纬向衬垫纱间隔织入,形成力学各向异性的针织衬纬组织,并将该衬纬组织作为包覆层与气囊内胆装配,实现具有高致动应变、低能量耗散的高性能纺织基气动机器人开发。文章通过力学性能和驱动变形测试,表征分析了衬纬组织织物层的各向异性力学特征和针脚排列方式等因素对软体机器人驱动性能、变形特征、输出力和运动状态的影响规律。结果表明:纺织基软体机器人展现了优良的弯曲应变(弯曲曲率可达0.27 cm^(-1)),高的驱动力输出(13 N∕kg)。此外,开发的纺织基气动机器人具有低成本、设计灵活快捷、操控简单等优势,可通过编织结构设计和针脚方向的配置实现多模式的复杂变形,在可穿戴医疗康复训练设备和软体抓取器件等领域具有可观的应用前景。

基于光子晶体结构色传感器的软体机器人运动检测方法

为了解决软体机器人难以实现基于实时反馈信号的精确运动控制的问题,提出了一种基于光子晶体结构色传感器色相的软体机器人运动检测方法。该方法的工作机理在于,当软体机器人活动时,集成在其上的光子晶体结构色传感器颜色会发生变化,通过图像处理技术检测这些色相变化,并根据色相信号和运动状态之间的映射关系,实现对软体机器人运动状态的跟踪监测。色相检测稳定性测试结果表明,不同亮度和饱和度下的平均色相值分别为179.97°、179.67°,标准差分别为0.51、0.36。

快速爬行软体管道机器人的设计与性能分析

采用锚定-伸缩运动机制的软体管道机器人多以硅胶、水凝胶等柔性材料为主体,可通过柔性材料的变形来实现在管道内的锚定和伸缩,具有良好的柔顺性。但由于柔性材料具有黏弹性和滞后性,软体管道机器人通常表现出较小的作用力和较慢的响应速度,难以快速储存和释放大量机械能,爬行速度缓慢。为解决这一问题,设计了一种可实现快速爬行的软体管道机器人。该机器人由锚定模块和伸缩模块组成,锚定模块利用柔性带的屈曲变形来实现在管道内的锚定,伸缩模块采用以塔簧为主体的软连续体结构来实现伸展与收缩。通过实验测得,该机器人在管道内的最大爬行速度为102 mm/s,最大锚定力为76.4 N,其能够在内径为90~120 mm的管道内实现稳定爬行,且对不同形状的非结构化管道环境具有良好的适应性。结果表明,所设计的机器人不仅能够在水平和竖直管道内实现双向爬行,还能够快速通过S形管道,这可为非结构化管道内软体机器人的设计与研究提供新思路。

仿尺蠖软体爬行机器人的设计与分析

设计了一种气压驱动的仿尺蠖软体机器人,该软体机器人可实现两种前进方式,由上方的两组各自连通的气囊和位于下方的前后“脚”部气囊及支撑腿组成。气囊在驱动气压的驱使下充气膨胀,使得软体机器人弯曲变形,通过向各组气囊充气,改变软体机器人的形变与地面之间的摩擦力从而实现仿尺蠖软体机器人的周期性运动。分析了软体机器人非线性运动过程,利用虚功原理和Yeoh模型,研究讨论了软体机器人在运动过程中的非线性力学特性,得出软体机器人驱动气压与弯曲角度以及前进距离之间的非线性关系模型。通过制作实物模型,在实验中验证了软体机器人的周期性运动过程。

基于3D打印硬磁软材料的磁控软体机器人开发

近年来,磁软体机器人因其优异的生物安全性、环境适应性和快速响应能力受到广泛关注,在生物医疗等领域展示出巨大的应用潜力。本文针对磁软体机器人的墨水直写(DIW)3D打印问题,根据需求和材料特性进行材料设计优化,制备了具有稳定可打印性的硬磁软材料墨水。在此基础上,通过流变性实验验证了混合墨水的可打印性,使用DIW完成了对硬磁软体机器人的制造。之后,设计并制造了一种用于货物搬运的多模态磁软体机器人,在外磁场的作用下机器人可以以爬行和滚动两种模式运动,兼具货物搬运和放置的能力。本文所提出的磁软体机器人3D打印方法将为以后磁软体机器人的材料选择和广泛应用提供基础。

软体机器人动力学建模与计算研究进展

由刚性结构制成的传统机器人存在灵活性差、环境适应能力低、人机交互不友好等缺点,而近些年受自然界生物启发研制的各类软体机器人则可克服这些缺点,但由于具有无限自由度,软体机器人的优化设计与在线控制尚面临诸多瓶颈.通过力学建模与数值仿真,则能够更好地理解其形变过程,进而指导软体机器人的设计与制造.本文聚焦最新的软体机器人动力学仿真研究,关注结构建模方法和交互仿真方法在理论计算中的应用.在结构建模方法中,从三维实体单元模型出发,介绍有限元方法的基本原理及其在静态模型、可微框架和可微投影动力学等策略中的应用;在板壳模型方面,探讨经典的基尔霍夫-勒夫板壳模型和离散壳模型.接着在结构建模中聚焦简化模型,包括基于一维降阶模型的细长结构仿真,其中涵盖了分段常曲率模型、Cosserat杆模型和绝对节点坐标方法等基本模型理论.通过典型工作的案例,探讨了一维简化模型的优势与缺点,并介绍了质量弹簧阻尼经典模型的操作方法以及最新的相关工作.在交互仿真技术中,围绕动力学仿真,涵盖外部环境交互和外场驱动交互两个方面,探讨了软体机器人动力学仿真中的挑战与应对策略.此项工作旨在为机器人开发者提供全新的动力学仿真思路,实现更逼真的仿真效果,进而为软体机器人的优化设计及在线控制提供理论支撑.

一种可变直径软体机器人的设计

为了解决刚性机械手安全性低、适应性差的问题,设计了一款具有抓取功能的软体机器人。该软体机器人由三个呈圆周120°分布的软体驱动器和一个夹具组成,夹具可以实现自动化改变直径以适应不同大小物体的抓取,经测算软体机器人可以抓取直径范围为45~97 mm的物体。夹具和软体驱动器都采用3D打印制造,具有成本低、制造简单、易于大规模生产的优点。软体机器人采用气压驱动,当给驱动器充气时,三手指同时弯曲抓取物体,具有很好的稳定性。对于软体驱动器建立了相应的力学模型,得到了弯曲角度与输入气压的关系,并利用ABAQUS有限元仿真软件对驱动器弯曲特性进行仿真。对比发现,理论建模和仿真分析在驱动器弯曲角度具有很高的吻合性。

《Nature》子刊:中美三校合作,开发用于远程操控食欲的口服软体机器人

近日,浙江大学南科望研究员联合香港城市大学于欣格教授和麻省理工学院Giovanni Traverso教授,在《Nature Communications》上发表的一篇研究显示,该研究另辟蹊径,寻求运用非药物、无创、可远程操控的方法来调节活体内的胃饥饿素水平,团队合力研发了一款可吞服、无电池、组织黏附的软体机器人(ingestible,battery-free,and tissue-adhering robotic interface,IngRI)用于非侵入性的胃部电刺激,并在成年猪体内实现了胃饥饿素水平的调节。