软体机器人研究综述_何斌
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
通过增加自 由 度，可 以 大 幅 度 提 高 机 器 人 运 动 灵巧性．因此，研究者们在刚性机器人 的 基 础 上 增 加 了更 多 自 由 度 使 其 具 有 一 定 的 连 续 变 形 能 力，形 成 了超 冗 余 度 机 器 人．这 种 机 器 人 的 环 境 适 应 能 力 较 刚性 机 器 人 有 所 提 高．但 其 本 体 仍 然 由 硬 质 材 料 组 成，不能任意改变尺寸和大小，在特定 环 境 中 应 用 时 需要提供障碍物形状尺寸等先验环境信息．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔ；ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ； ｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
进入２１世纪以来，机器人技术广 泛 用 于 工 业 生
产、勘探勘测、医疗服务、军事侦察 等 领 域，对 于 国 民 经济和国防 建 设 具 有 重 要 意 义［１］．传 统 机 器 人 多 由 基于硬质材料 （金 属、塑 料 等 ）的 刚 性 运 动 副 连 接 构 成，能够完成快速、精确、可重复位 置 或 力 控 制 任 务． 但这种机器人运动灵活性有限，环境 适 应 能 力 很 低， 只能 在 结 构 化 环 境 下 工 作．这 些 缺 点 限 制 了 刚 性 机 器 人 在 动 态、未 知、非 结 构 化 的 复 杂 环 境 领 域 的 应 用 ，如 军 事 侦 察 、灾 难 救 援 以 及 科 学 探 测 等 ．
关键词：软体机 器 人；仿 生 机 理；驱 动 方 式；模 型；控 制 策
略
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２４
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｒｏｂｏｔ
ＨＥ Ｂｉｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉｐｅｎｇ，ＴＡＮＧ Ｈａｉｆｅｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
ＤＯＩ：１０．１１９０８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１４．１０．０２１
软体机器人研究综述
何 斌，王志鹏，唐海峰
（同济大学 电子信息与工程学院，上海 ２０１８０４）
摘要：机器人 技 术 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 、医 疗 服 务、勘 探 勘 测、生物工程、救灾救援等领域．传 统 机 器 人 大 都 由 刚 性 机 构 组成，存在环境适 应 能 力 低 的 缺 点．软 体 机 器 人 是 一 类 新 型 仿生连续体机器 人，可 以 任 意 改 变 自 身 形 状，在 非 结 构 化 环 境中应用前景广 阔．综 述 了 软 体 机 器 人 的 仿 生 机 理 、驱 动 方 式、建模与控制方 法 等 关 键 问 题，并 通 过 分 析 和 梳 理 软 体 机 器人技术发展中的瓶颈问题及 可 行 解 决 方 案，探 讨 了 软 体 机 器人技术的发展趋势．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｆｉｅｌｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｄｕｓｔｒａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， ｍｅｄｉｃａｌ ｓｅｒｖｉｃｅ，ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，ｂｉｏ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｒｅｓｃｕｅ，ｅｔｃ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ｈａｖｅ ｒｉｇｉｄ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｈａｔ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅｉｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｉｎｔｅｒａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅｉｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｂｉｏｎｉｃ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｒｏｂｏｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅｉｒ ｏｗｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｒｅｖｉｅｗ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｃｈａｉｓｍ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ， ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｓｏｆｔ－ｂｏｄｉｅｄ ｒｏｂｏｔｓ．Ｓｏｍｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
第 １０ 期
何 斌 ，等 ：软 体 机 器 人 研 究 综 述
１ ５９７
动为目标．本文介绍了软体机器人的 研 究 现 状、仿 生 机理、驱动方 式、建 模 与 控 制 方 法，探 讨 软 体 机 器 人 技 术 研 究 中 的 难 点 和 热 点 ，以 及 可 能 的 发 展 趋 势 ．
研究典型软 体 动 物 在 复 杂 环 境 中 如 何 运 动、如 何与非结构化环境进行交互，能为机 器 人 在 医 疗、搜 索 营 救 、灾 害 应 急 响 应 等 领 域 的 应 用 提 供 借 鉴 ． ２．１ 蠕 虫
蠕虫由表皮、肌肉、体液、神 经 系 统 组 成．身 体 呈 管状、体积 恒 定，是 典 型 的 流 体 静 力 骨 骼 结 构 ． ［２６－２７］ 这种生物的 运 动 由 环 肌 和 纵 肌 的 颉 抗 形 成．如 图 １ 所示，纵肌收 缩 增 加 直 径，环 肌 收 缩 减 小 直 径，通 过 各节 段 肌 肉 收 缩 和 扩 张 产 生 行 进 波 向 前 移 动，与 肠 蠕动过程相似．基于流体静力骨骼原理，文 献［２８］设 计了由空气阀、金属弹簧、热塑性轴承 组 成 的 压 力 驱 动器．文献［２９］采用印制电路板做支撑、嵌 入 硅 树 脂 和 介 电 弹 性 体 ，实 现 了 类 蠕 虫 运 动 ．
软体机器人是一个新的，正 在 迅 速 发 展 的 领 域． 它以材料科学，机构学和控制科学为 基 础，以 利 用 软 体材料的“机械智能”使机器人获得更简单 的 高 效 运
收 稿 日 期 ：２０１３－１０－２９ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５１２７５３６０）；教 育 部 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 （２０１１００７２１１００１６） 第 一 作 者 ：何 斌 （１９７５— ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，工 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 仿 生 机 器 人 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｂｉｎ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
济大学设计的仿章鱼臂柔性体机器人 等 ［２５］ ．
２ 仿生机理
１ 研究现状
动物的身体 结 构 随 中 枢 神 经 系 统 共 同 进 化，形
软体机器人 是 一 种 新 型 连 续 体 仿 生 机 器 人．虽 然在生物 学 中 软 体 生 物 组 织 结 构 理 论 已 经 相 当 成 熟，但目前对软体机器人的研究仍处 于 起 步 阶 段，在 设计具有类软体生物组织结构的仿生软体机器人基 础上 进 行 运 动 控 制 和 步 态 规 划 是 研 究 趋 势．现 有 软 体 机 器 人 按 功 能 特 性 可 以 分 为 两 类：具 有 爬 行、蠕 动、游动、跳跃能力的运 动 型 机 器 人 和 ［６－８］ 具 有 抓 取、 提升物体能力的操作型机器人 ． ［９－１０］
第 ４２ 卷 第 １０ 期 ２０１４ 年 １０ 月
同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Fra Baidu bibliotek
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１４
文 章 编 号 ：０２５３－３７４Ｘ（２０１４）１０－１５９６－０８
成了完备的一体化神经－机械 控 制 系 统［２６］．其 中 软 体 组织 对 于 动 物 来 说 至 关 重 要，有 利 于 适 应 不 断 变 化 的复杂环境：动物与环境接触过程中，软 体 组 织 与 环 境接触面大，与环境贴合更紧密；来自 环 境 的 反 作 用 力大范围分布于软体组织表面，又能 够 减 小 冲 击．软 体结 构 也 有 一 定 的 局 限 性，其 没 有 刚 性 骨 骼 来 承 载 自身重量，通常质量较小．自然界中几 乎 所 有 大 型 无 脊椎 软 体 动 物 均 生 存 在 水 或 地 下 环 境 中，依 靠 环 境 媒介支撑身 体 结 构．此 外，软 体 结 构 的 大 形 变、能 量 吸收 特 性 降 低 了 惯 性 力 的 作 用 效 果，也 限 制 了 软 体 动物的移动速度．
Ｓｈｕｔａｒｏ Ｓａｉｔｏ等采用光敏离子胶研制了软体微型 夹 具，可以夹持质量为３ｍｇ的重物 ． ［２０］
国内对软体 机 器 人 的 研 究 虽 然 起 步 较 早，但 研
究 工 作 的 延 续 性、系 统 性 不 强，且 主 要 集 中 在 基 于 ＳＭＡ 的软体机器人研究．上海交 通 大 学 的 马 建 旭 等 １９９９ 年 就 提 出 了 一 种 适 用 于 微 小 软 管 移 动 的 仿 蚯 蚓
在自然界中，软体动物广泛 分 布 于 海 水、淡 水 及 陆地［２］．经过亿万年的自然 优 化，这 种 动 物 的 软 体 组 织具有变形 大、质 量 轻，功 率 密 度 比 高 的 特 点，可 以 使其通过改变身体形状在复杂自然环境条件下高效 运动．近年来，研 究 者 以 软 体 动 物 为 原 型，提 出 了 软 体机器人［３］．这 种 机 器 人 由 可 承 受 大 应 变 的 软 体 材 料组成，具有无限自由度和分布式连 续 变 形 能 力．通 过模拟生物 的 形 态 结 构，能 够 爬 行、扭 动、蠕 动 穿 过 狭小 的 空 间 和 实 现 抓 取 等 操 作，在 非 结 构 化 环 境 中 应用前景广泛［４－５］．它可以 通 过 不 同 构 型 使 末 端 执 行 器到 达 三 维 工 作 空 间 的 任 意 一 点．与 硬 质 材 料 构 成 的超 冗 余 度 机 器 人 相 比，软 体 机 器 人 对 压 力 有 很 小 的阻抗，可以通过柔顺变 形 的 方 式 与 障 碍 物 相 容 ． ［４］ 这样 可 以 大 幅 度 降 低 接 触 力，从 而 使 软 体 机 器 人 可 以搬运柔软或易碎的物品．
由欧洲委员会资助的“章鱼触手”项 目 组 通 过 研 究章 鱼 本 体 和 触 手 的 全 局 协 同 运 动 和 控 制 机 理，开 发了 可 以 水 下 工 作 的 仿 生 章 鱼 触 手，并 提 出 了 相 应 的控制方法 ．美 ［１１－１２］ 国塔夫茨大学的 Ｈｕａｉ－Ｔｉ Ｌｉｎ等 人研制的 ＧｏＱＢｏｔ软体机器人 具 有 和 毛 毛 虫 一 样 的 滚 动 弹 射 能 力 ［１３］．麻 省 理 工 学 院 、哈 佛 大 学 和 韩 国 汉 城国立大学的研究人员联合研发的 Ｍｅｓｈｗｏｒｍ 机器 人，通过 在 聚 合 管 周 围 环 绕 网 格 状 形 状 记 忆 合 金 （Ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，ＳＭＡ）线 模 拟 蚯 蚓 蠕 动 并 能 抵 抗 强 大 的 冲 击 ［１４］．采 用 新 型 软 体 材 料 ，利 用 特 殊 化 学反 应 驱 动 的 化 学 软 体 机 器 人，近 年 来 成 为 了 研 究 热点：哈佛大学 Ｗｙｓｓ生物工程研究院的 Ｇｅｏｒｇｅ Ｍ． Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ等在 ＤＡＲＰＡ（美国国防部先进研究项目 局）支持下开展了多种 化 学 软 体 机 器 人 工 作 ；日 ［１５－１８］ 本早稻田大 学 的 Ｓｈｉｎｇｏ Ｍａｅｄａ等 采 用 凝 胶 材 料 研 制的仿 生 尺 蠖，利 用 Ｂｅｌｏｕｓｏｖ－Ｚｈａｂｏｔｉｎｓｋｉｉ（Ｂ－Ｚ）化 学反 应 实 现 了 周 期 性 伸 缩 运 动［１９］．横 滨 大 学 的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔ；ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ； ｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
进入２１世纪以来，机器人技术广 泛 用 于 工 业 生
产、勘探勘测、医疗服务、军事侦察 等 领 域，对 于 国 民 经济和国防 建 设 具 有 重 要 意 义［１］．传 统 机 器 人 多 由 基于硬质材料 （金 属、塑 料 等 ）的 刚 性 运 动 副 连 接 构 成，能够完成快速、精确、可重复位 置 或 力 控 制 任 务． 但这种机器人运动灵活性有限，环境 适 应 能 力 很 低， 只能 在 结 构 化 环 境 下 工 作．这 些 缺 点 限 制 了 刚 性 机 器 人 在 动 态、未 知、非 结 构 化 的 复 杂 环 境 领 域 的 应 用 ，如 军 事 侦 察 、灾 难 救 援 以 及 科 学 探 测 等 ．
关键词：软体机 器 人；仿 生 机 理；驱 动 方 式；模 型；控 制 策
略
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２４
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｒｏｂｏｔ
ＨＥ Ｂｉｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉｐｅｎｇ，ＴＡＮＧ Ｈａｉｆｅｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
ＤＯＩ：１０．１１９０８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１４．１０．０２１
软体机器人研究综述
何 斌，王志鹏，唐海峰
（同济大学 电子信息与工程学院，上海 ２０１８０４）
摘要：机器人 技 术 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 、医 疗 服 务、勘 探 勘 测、生物工程、救灾救援等领域．传 统 机 器 人 大 都 由 刚 性 机 构 组成，存在环境适 应 能 力 低 的 缺 点．软 体 机 器 人 是 一 类 新 型 仿生连续体机器 人，可 以 任 意 改 变 自 身 形 状，在 非 结 构 化 环 境中应用前景广 阔．综 述 了 软 体 机 器 人 的 仿 生 机 理 、驱 动 方 式、建模与控制方 法 等 关 键 问 题，并 通 过 分 析 和 梳 理 软 体 机 器人技术发展中的瓶颈问题及 可 行 解 决 方 案，探 讨 了 软 体 机 器人技术的发展趋势．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｆｉｅｌｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｄｕｓｔｒａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， ｍｅｄｉｃａｌ ｓｅｒｖｉｃｅ，ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，ｂｉｏ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｒｅｓｃｕｅ，ｅｔｃ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ｈａｖｅ ｒｉｇｉｄ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｈａｔ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅｉｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｉｎｔｅｒａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅｉｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｂｉｏｎｉｃ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｒｏｂｏｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅｉｒ ｏｗｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｒｅｖｉｅｗ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｉｏｎｉｃ ｍｅｃｈａｉｓｍ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ， ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｓｏｆｔ－ｂｏｄｉｅｄ ｒｏｂｏｔｓ．Ｓｏｍｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．
第 １０ 期
何 斌 ，等 ：软 体 机 器 人 研 究 综 述
１ ５９７
动为目标．本文介绍了软体机器人的 研 究 现 状、仿 生 机理、驱动方 式、建 模 与 控 制 方 法，探 讨 软 体 机 器 人 技 术 研 究 中 的 难 点 和 热 点 ，以 及 可 能 的 发 展 趋 势 ．
研究典型软 体 动 物 在 复 杂 环 境 中 如 何 运 动、如 何与非结构化环境进行交互，能为机 器 人 在 医 疗、搜 索 营 救 、灾 害 应 急 响 应 等 领 域 的 应 用 提 供 借 鉴 ． ２．１ 蠕 虫
蠕虫由表皮、肌肉、体液、神 经 系 统 组 成．身 体 呈 管状、体积 恒 定，是 典 型 的 流 体 静 力 骨 骼 结 构 ． ［２６－２７］ 这种生物的 运 动 由 环 肌 和 纵 肌 的 颉 抗 形 成．如 图 １ 所示，纵肌收 缩 增 加 直 径，环 肌 收 缩 减 小 直 径，通 过 各节 段 肌 肉 收 缩 和 扩 张 产 生 行 进 波 向 前 移 动，与 肠 蠕动过程相似．基于流体静力骨骼原理，文 献［２８］设 计了由空气阀、金属弹簧、热塑性轴承 组 成 的 压 力 驱 动器．文献［２９］采用印制电路板做支撑、嵌 入 硅 树 脂 和 介 电 弹 性 体 ，实 现 了 类 蠕 虫 运 动 ．
软体机器人是一个新的，正 在 迅 速 发 展 的 领 域． 它以材料科学，机构学和控制科学为 基 础，以 利 用 软 体材料的“机械智能”使机器人获得更简单 的 高 效 运
收 稿 日 期 ：２０１３－１０－２９ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （５１２７５３６０）；教 育 部 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 （２０１１００７２１１００１６） 第 一 作 者 ：何 斌 （１９７５— ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，工 学 博 士 ，主 要 研 究 方 向 为 仿 生 机 器 人 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｂｉｎ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
济大学设计的仿章鱼臂柔性体机器人 等 ［２５］ ．
２ 仿生机理
１ 研究现状
动物的身体 结 构 随 中 枢 神 经 系 统 共 同 进 化，形
软体机器人 是 一 种 新 型 连 续 体 仿 生 机 器 人．虽 然在生物 学 中 软 体 生 物 组 织 结 构 理 论 已 经 相 当 成 熟，但目前对软体机器人的研究仍处 于 起 步 阶 段，在 设计具有类软体生物组织结构的仿生软体机器人基 础上 进 行 运 动 控 制 和 步 态 规 划 是 研 究 趋 势．现 有 软 体 机 器 人 按 功 能 特 性 可 以 分 为 两 类：具 有 爬 行、蠕 动、游动、跳跃能力的运 动 型 机 器 人 和 ［６－８］ 具 有 抓 取、 提升物体能力的操作型机器人 ． ［９－１０］
第 ４２ 卷 第 １０ 期 ２０１４ 年 １０ 月
同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Fra Baidu bibliotek
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１４
文 章 编 号 ：０２５３－３７４Ｘ（２０１４）１０－１５９６－０８
成了完备的一体化神经－机械 控 制 系 统［２６］．其 中 软 体 组织 对 于 动 物 来 说 至 关 重 要，有 利 于 适 应 不 断 变 化 的复杂环境：动物与环境接触过程中，软 体 组 织 与 环 境接触面大，与环境贴合更紧密；来自 环 境 的 反 作 用 力大范围分布于软体组织表面，又能 够 减 小 冲 击．软 体结 构 也 有 一 定 的 局 限 性，其 没 有 刚 性 骨 骼 来 承 载 自身重量，通常质量较小．自然界中几 乎 所 有 大 型 无 脊椎 软 体 动 物 均 生 存 在 水 或 地 下 环 境 中，依 靠 环 境 媒介支撑身 体 结 构．此 外，软 体 结 构 的 大 形 变、能 量 吸收 特 性 降 低 了 惯 性 力 的 作 用 效 果，也 限 制 了 软 体 动物的移动速度．
Ｓｈｕｔａｒｏ Ｓａｉｔｏ等采用光敏离子胶研制了软体微型 夹 具，可以夹持质量为３ｍｇ的重物 ． ［２０］
国内对软体 机 器 人 的 研 究 虽 然 起 步 较 早，但 研
究 工 作 的 延 续 性、系 统 性 不 强，且 主 要 集 中 在 基 于 ＳＭＡ 的软体机器人研究．上海交 通 大 学 的 马 建 旭 等 １９９９ 年 就 提 出 了 一 种 适 用 于 微 小 软 管 移 动 的 仿 蚯 蚓
在自然界中，软体动物广泛 分 布 于 海 水、淡 水 及 陆地［２］．经过亿万年的自然 优 化，这 种 动 物 的 软 体 组 织具有变形 大、质 量 轻，功 率 密 度 比 高 的 特 点，可 以 使其通过改变身体形状在复杂自然环境条件下高效 运动．近年来，研 究 者 以 软 体 动 物 为 原 型，提 出 了 软 体机器人［３］．这 种 机 器 人 由 可 承 受 大 应 变 的 软 体 材 料组成，具有无限自由度和分布式连 续 变 形 能 力．通 过模拟生物 的 形 态 结 构，能 够 爬 行、扭 动、蠕 动 穿 过 狭小 的 空 间 和 实 现 抓 取 等 操 作，在 非 结 构 化 环 境 中 应用前景广泛［４－５］．它可以 通 过 不 同 构 型 使 末 端 执 行 器到 达 三 维 工 作 空 间 的 任 意 一 点．与 硬 质 材 料 构 成 的超 冗 余 度 机 器 人 相 比，软 体 机 器 人 对 压 力 有 很 小 的阻抗，可以通过柔顺变 形 的 方 式 与 障 碍 物 相 容 ． ［４］ 这样 可 以 大 幅 度 降 低 接 触 力，从 而 使 软 体 机 器 人 可 以搬运柔软或易碎的物品．
由欧洲委员会资助的“章鱼触手”项 目 组 通 过 研 究章 鱼 本 体 和 触 手 的 全 局 协 同 运 动 和 控 制 机 理，开 发了 可 以 水 下 工 作 的 仿 生 章 鱼 触 手，并 提 出 了 相 应 的控制方法 ．美 ［１１－１２］ 国塔夫茨大学的 Ｈｕａｉ－Ｔｉ Ｌｉｎ等 人研制的 ＧｏＱＢｏｔ软体机器人 具 有 和 毛 毛 虫 一 样 的 滚 动 弹 射 能 力 ［１３］．麻 省 理 工 学 院 、哈 佛 大 学 和 韩 国 汉 城国立大学的研究人员联合研发的 Ｍｅｓｈｗｏｒｍ 机器 人，通过 在 聚 合 管 周 围 环 绕 网 格 状 形 状 记 忆 合 金 （Ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ，ＳＭＡ）线 模 拟 蚯 蚓 蠕 动 并 能 抵 抗 强 大 的 冲 击 ［１４］．采 用 新 型 软 体 材 料 ，利 用 特 殊 化 学反 应 驱 动 的 化 学 软 体 机 器 人，近 年 来 成 为 了 研 究 热点：哈佛大学 Ｗｙｓｓ生物工程研究院的 Ｇｅｏｒｇｅ Ｍ． Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ等在 ＤＡＲＰＡ（美国国防部先进研究项目 局）支持下开展了多种 化 学 软 体 机 器 人 工 作 ；日 ［１５－１８］ 本早稻田大 学 的 Ｓｈｉｎｇｏ Ｍａｅｄａ等 采 用 凝 胶 材 料 研 制的仿 生 尺 蠖，利 用 Ｂｅｌｏｕｓｏｖ－Ｚｈａｂｏｔｉｎｓｋｉｉ（Ｂ－Ｚ）化 学反 应 实 现 了 周 期 性 伸 缩 运 动［１９］．横 滨 大 学 的