Soft robotics：香港大学研发全新柔性驱动方式为仿生机器人设计提供新思路！

导读

为了实现安全可靠的的人机交互，机器人一定要具备一定的柔性（compliance）。除去利用传感器信息和精确的控制来让带有刚性减速器的电机实现柔性，我们也可以通过设计自体具备柔性（self-compliance）的驱动器，比如气动人工肌肉（pneumatic artificialmuscle）。近日，由香港大学陈永华教授带领的研究团队发表在国际著名机器人期刊《软体机器人》（softrobotics）的一篇论文中提出了一种全新的柔性驱动器，“扭转管驱动器”(twisting tubeactuation，简称TTA)，利用持续扭转充满空气的细长弹性管，同步输出气压和沿着管的收缩力，从而实现了不受束缚（untethered）的多模式流体驱动。该驱动方式成本极低，具备本体柔性，更重要的是该驱动方式可实现多种变化模式，有很大潜能用于柔性机器人以及可穿戴设备中。

扭转管驱动仿生机器人概念和样机

一种全新的多模式流体驱动：扭转管驱动

随着机器人走入我们的生活，能够安全与人进行交互的机器人技术越来越重要。对于由电机，减速器控制的机器人（如KUKA柔性机械臂），我们可以用传感器和控制算法等来实现机器人的柔性，我们也可以通过设计新型的驱动器，让它们自身就带有“柔性”的特点，比如著名的气动人工肌肉（pneumatic artificialmuscle）（FESTO柔性仿生机械臂），但美中不足的是气动人工肌肉需要连接到大型气泵来提供足够的气压，因此也限制了它的实用性。今天，小编为大家介绍一种全新的柔性驱动器设计方法，不受束缚（untethered）的多模式流体驱动——扭转管驱动（twisting tube actuation, 简称TTA），能够不借助于大型气泵也实现气动人工肌肉的驱动。

柔性机械臂例子

扭转管驱动（TTA）启发自生活中常见的力学现象：扭转屈曲（torsional buckling），它指的是薄壁管在受到较大的扭力时，会出现突然的结构失稳现象。我们在设计汽车传动轴的时候，常常要想办法避免“扭转屈曲”现象的发生。另外在生活中，当我们制作香肠，或者是扭气球时，也会利用类似的原理达到快速分节的效果。那么这种现象是如何用来研发新的柔性驱动器的呢？

扭转屈曲现象

由香港大学陈永华教授带领的研究团队发现，当扭转一条壁厚适中（管直径是壁厚的6-8倍左右）的乳胶弹性管时，会出现一种可重复螺旋形的变形，并且这种商用乳胶管具有超高弹性（600%）以及长久的使用寿命，因此可以被反复扭转（多达上万次）而不损坏。利用这种特定的变形，该研究团队设计了一种全新的无束缚多模式流体驱动，也就是“扭转管驱动（twisting tube actuation，简称TTA）”。

乳胶弹性管的扭转屈曲现象

乳胶弹性管的扭转应变图

当我们选择一根细长的乳胶弹性管，密封两端，留出一个气管接口。然后在其中充满气体（也可以是液体），那么在弹性管的一端连续输入一个扭转时，管中密封的气体就会被不断地挤压出去，相当于对外界提供了一个逐渐增加的气压，类似于“泵”的作用。同时由于橡胶管发生屈曲变形，在长度方向会有缩短，从而提供一个收缩力。

扭转管驱动器的原理解释

扭转管驱动器展示

作者指出他们的设计是结合传统泵可以输出压力的特点，以及另一种很经典的驱动方式，扭转绳驱动（“twisted string actuation”）, 即通过不断扭转的绳子实现沿轴向的收缩运动（文末附参考文献）。前两种驱动模式都是电机的输入对应了单一的输出：即收缩力或者气压/液压。但是全新的扭转管驱动(TTA)模式在电机单一的输入下，实现了“轴向收缩”和“气压/液压”两种输出，从而大大提高了驱动效率，同时也实现了无束缚的流体驱动。

扭转管驱动(TTA)的实验测试

研究者对TTA进行了测试, 扭转一段细长的，充满压缩气体的乳胶管，得到的实验数据显示，在仅有单一的电机旋转输入下，收缩力和输出气压随着电机转动圈数的变化同步增加。

TTA有一个很大的特点就是由可以实现多种组合模式，从而实现不同的功能。利用这个特点，研究团队开发了一款仿生机械臂，该机械臂全部采用了扭转管驱动（TTA）方式的不同模式来驱动，不需要外接到气泵或者液压泵，实现了无束缚的自体柔性机器人的设计。我们先来看一下仿生机械臂的展示（文末附有完整视频）。在下一部分会对多种模式的设计进行介绍和分析。

基于扭转管驱动设计的仿生机械臂

弹奏钢琴曲“欢乐颂”片段（有声音喔！）

扭转管驱动器的多种变体及应用

通过对乳胶管进行分段和添加不同的约束，以及改变安装方式，就可以实现多模式驱动。研究者给出了以下三种典型的设计。值得注意的是，这三种模式都实现了“无束缚”的流体驱动，让流体驱动的柔性机器人变得更加具备实用性。（详细的分析可以参考文末的论文链接）

三种典型的扭转管驱动模式

三种模式分别是：1. 单一“泵”模式：即将一部分乳胶管外部添加气动手指的约束，可以实现气动软体手指的驱动。2. 串联式安装：将一部分乳胶管外部添加尼龙网约束，可以实现由扭转管和气动肌肉共同作用的大位移的串联式柔性驱动模式。3. 并联式安装：将和扭转端近似等长的气动肌肉并联到扭转管驱动器一侧，从而实现大收缩力的并联柔性驱动模式。

在本研究中，研究团队展示了一个完全基于扭转管（TTA）这种全新的驱动方式设计的一个拟人机器人手臂。该机械臂的手肘关节由并联式驱动器来驱动，手指部分由安装在躯干的“泵”模式驱动器来驱动。

基于扭转管驱动多种模式设计的柔性机械臂

柔性机械臂的样机

仅仅通过控制电机的转速和圈数，就可以实现一些基本的任务，例如和人进行交互握手，弹奏钢琴，以及抓举水瓶等（文末完整视频）。值得注意的是，在这款机器人进行动作时，没有涉及到复杂的控制算法或者是精确的传感器信息，操作员可以安全的和机器人进行交互，而不会过于担心被机器人伤害到。

穿着熊猫玩偶服装的机械臂执行任务

总结与展望

可以看到虽然利用扭转管驱动（TTA）设计的柔性机械臂的性能暂时还不尽人意，不如传统的刚性机械臂那么灵巧，但是它彻底摆脱了气动肌肉对于“大型气泵”的依赖，通过低成本的材料和精妙的设计思路实现了“无束缚”的气动柔性机器人的设计。

研究者团队指出，这款柔性机械臂是“扭转管驱动”概念的一个初步展示，在后续的研究中，会进一步通过优化设计以及选材来提高“扭转管驱动”的效果。我们有理由相信“扭转管驱动”有着很大潜力被应用于一些服务机器人，或者是可穿戴设备，这种对于精确度和输出力要求比较低，但是对于柔性和安全性要求很高的场景。

同时也希望大家通过今天的报道，能够得到启发，生活中的一些现象蕴含着深层的原理。多观察，多思考，一定能够创造很多不一样的新奇的事物！

文末视频：

参考文献：

Li, Y., Ren, T., Chen, Y., Zhou, J., Hu, Y.,Wang, Z., Sun, W. and Xiong, C., 2020. Untethered Multimode Fluidic Actuation:A New Approach to Soft and Compliant Robotics. Soft Robotics.

网址：

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2019.0131

另附“扭转绳”驱动参考文献：

Gaponov, I., Popov, D. and Ryu, J.H., 2013.Twisted string actuation systems: A study of the mathematical model and acomparison of twisted strings. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19(4),pp.1331-1342.

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