Science Robotics封面：轻便低成本、无电子设备驱动

授权转载自机器人大讲堂

加州大学圣地亚哥分校的工程师们创造了一种轻便、低成本的四足软体机器人，它通过气动回路就能保持系统控制和运动，并且不需要任何电子设备驱动。该项目由加州大学圣地亚哥分校 Michael T.Tolley 教授领导，发布在 Science Robotics封面。

图丨相关论文（来源：Science Robotics）

软体机器人之所以受到许多关注，是因为它们可以在人的附近进行安全操作，并且适应环境能力较强。加州大学圣地亚哥分校 Dylan Drotman 博士表示：“这项工作代表着向完全自主、无电子行走机器人迈出了重要的一步。”

软体机器人在不断地升级迭代，从只能奔跑升级到拥有充气抓手，从而有能力处理各种物品。充气部件和气压在其中发挥了至关重要的作用，大多数软体机器人由压缩空气提供动力，并由电子设备控制。但是，这种方法需要电路、阀门和泵等位于机器人体外的组件。通常，那些组成机器人大脑和神经系统的组件体积庞大且昂贵。

图丨四足软体机器人具有不受生物影响的步态模式，可通过无电子气动控制系统进行控制（来源：Science Robotics）

该项目软体机器人则不同，它的气动电路系统控制由管子和软阀组成，可根据指令或从环境中感应到的信号进行判断，进而行走。机器人由脊柱驱动，计算能力与哺乳动物的反射相似。研究团队的灵感来自动物体内发现的神经回路，通过产生节奏来控制步行和跑步等动作。

研究团队在气动阀的振荡器和传感器的基础上，又添加了实现高级功能（如行走）所需的组件。气动阀具有价格便宜、重量轻的优势，并且相对于与机电阀更易于制造，通常用于控制软体机器人。通过适当的设计，这些组件可创建复杂的流体组合，无需任何电子设备即可控制腿式机器人步态的电路。

图丨四足机器人的束缚控制（来源：Science Robotics）

这款机器人由四个圆柱形腔室系统组成。为模拟发电机的功能，工程师建立了一个阀门系统，它可充当振荡器，控制加压空气进入机器人四肢中由气动肌肉进入的顺序。据该团队介绍，采用该方法可制造出非常复杂的机器人大脑，而他们的重点是制造控制步行所需的最简单的气动神经系统。

另据悉，该机器人的步态受侧颈乌龟启发，为此研究人员构建了一个创新组件，通过延迟向机器人腿中注入空气来协调机器人的步态，当按特定顺序打开和关闭的阀门便可以实现行走。同时，在软体机器人身体的臂架末端，有微型气泡式的传感器装置。也就是说当软体机器人遇到障碍物时，它装置中的气泡会出现凹陷状态，促使阀门翻转、以及反向移动。

图丨使用 4/2 阀门对机器人的行走方向进行全方位控制（来源：Science Robotics）

为了测试对软体机器人全向运动的控制度，研究团队开发了一种控制器来操作两个 4/2 阀门。通过更改相应的气门状态，依次命令机器人向前、向左、向后，然后向右行走。

软体机器人的每条腿都可以实现三个运动角度的弯曲，支腿向下倾斜 45 度，由三个平行且相互连接的、带有波纹管的气动气室组成。当对腔室进行加压时，肢体会向相反的方向弯曲。

图丨传感器输入用于自动步态逆转（来源：Science Robotics）

研究人员将每条腿的对角线彼此配对，进而简化了控制。一个软阀在逆时针和顺时针之间切换肢体的旋转方向，该软阀相当于双掷开关，即具有两个输入和四个输出的开关，因此每个输入都有与其连接的两个对应的输出。这种机制有点像需要两条神经并在大脑中交换它们的连接。

文章来源：《电子设计工程》 网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2021/0508/1237.html