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导读
软体机器人优异的环境共融性，为新型管线检测机器人本体的研发提供了重大机遇。常用的管道检测机器人大多为管道内部驱动，但是像核管道、实心电缆、水下管线等作业场景，就无法实现内部驱动检测，亟需一种管线外壁攀爬机器人。研究人员受到树栖蛇攀爬树干行为启发，创新设计了一种仿蛇缠绕式软体执行器，并基于此研发了一款仿树栖蛇软体机器人。
西南科技大学制造学院臧红彬副教授研究团队近日在国际机器人领域TOP期刊《Soft Robotics》发表了关于仿生软体机器人最新研究成果——“Soft Rod-Climbing Robot Inspired by Winding Locomotion of Snake”，这是世界上首次实现仿树栖蛇攀爬树干运动的软体机器人。硕士研究生廖冰和指导老师臧红彬博士为论文共同第一作者，团队成员陈明扬、王韵杰、郎鑫、朱娜娜、杨正参与软体机器人设计、制造、控制、实验、优化等工作，易艳参与结构图设计工作。西南科技大学为第一通讯单位，臧红彬博士为论文唯一通讯作者。
图1 树栖蛇攀爬树干
树栖蛇经过亿万年的自然演变，进化出了独特的攀爬树干行为（图1）。受此启发，团队创新设计了一种类蛇缠绕式攀爬软体机器人仿生结构，主要由2个仿蛇缠绕式软体执行器和1个伸缩式软体执行器组成（图2），采用气动驱动作为动力源。该软体执行器为团队自主研发，主要由波纹管和控制缠绕方向的弹性层和约束层构成，成本低廉，便于生产，性价比极高。通过分析树栖蛇的攀爬运动机理，提出了仿蛇运动六个步态控制策略，并研发了控制系统（图3）。
图2 仿树栖蛇软体机器人结构设计
（a）运动步态控制策略
（b）控制系统
图3运动步态控制策略及其控制系统
基于常曲率弯曲假设，建立了软体执行器的运动学模型（图4）。分析缠绕软体执行器随气压的弯曲运动和伸缩软体执行器随气压的线性运动（图5）。同时也评估了软体执行器的变形能力和不同结构参数对运动速度与负载性能的影响规律（缠绕软体执行器环数与旋向、伸缩软体执行器节数、负载和频率，图6）。
图6 结构参数对运动速度与负载性能的影响规律
实物样机测试显示，该软体机器人可实现高效攀爬运动。例如，能以30.85mm/s的最高速度垂直攀爬（每秒0.193倍自身体长，图7）；攀爬时能携带500g的有效负载（超过自身重量25倍，图8）和攀爬不同摩擦表面的杆件、近直角的杆件（图9）以及变直径杆件自适应攀爬能力（图10）。
图7爬杆运动
图8负载测试
图9直角转弯
图10变直径杆件自适应攀爬
该项目的研究为复杂受限空间核管线检查、高压电缆巡检以及水下管道监测等软体机器人运动母体的研发提供新的思路和关键技术支撑，推动软体机器人技术在检测领域的应用进展。
图11应用场景模拟实验
软体机器人更贴近生物的柔软特性，可以根据实际需要任意地改变自身形状和尺寸，特别适合在复杂的管线环境或者航空发动机等内部受限空间场景中进行检测作业。更为重要的是，与传统刚性机器人相比，软体机器人不但具有交互灵活性强、环境适应性好、安全可靠性高、对接触表面无损伤等优点，还具有材料柔顺性好、障碍物相容性强、制造成本低等独特优势，是搭载各种传感器进行近距离、安全高效、全方位检查和拾遗的理想载体。因此，软体机器人技术在受限空间管线检测领域有着重要而独特的应用潜力。而如何更逼真的仿生树栖蛇肌肉群的生理结构和运动控制机理，来进一步设计和研究具有在复杂管线间进行变刚度灵活穿越的软体机器人，也就成为下一步研究最为关键的科学问题。
该项目得到了西南科技大学博士研究基金和研究生创新基金重点项目共同支持。
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