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自动化软体机器鱼使用流体弹射装置能够做出逃跑机制
作者：Andrew D. Marchese, Cagdas D. Onal, and Daniela Rus
摘要：
在这项工作中，我们描述了一个自动化的软体机器人，它可以做到既独立又能快速，连续的身体运动。我们详细介绍了软体机器鱼的设计、建模、制造和控制，重点是使机器人能够执行快速逃生反应。该机器人采用了一个柔顺的带有嵌入式执行机构的身体，模仿鱼类的细长形态。此外，该机器人还具有一种新型的驱动身体运动的射流驱动系统，并具有传统机器人的所有子系统：动力、驱动、处理和控制。鱼的软体的核心是一个射流弹性体驱动器阵列。我们设计的鱼除了向前游动外，还模拟逃逸反应，因为这样的动作需要快速的身体加速度和连续的身体运动。这些动作展示了这个独立的机器人的性能。将机器鱼在模拟逃逸响应中的运动学和可控性与生物鱼的研究进行了比较分析。我们发现，在逃逸反应中，软体机器人的输入-输出关系与在生物鱼身上观察到的相似。这项工作的主要含义是向我们展示了软体机器人既可以独立的，也可以进行快速的身体运动。
介绍：
身体的柔韧性是许多自然系统的一个显著特征。柔韧的机构对不确定性提供了内在的稳健性，对环境变化的适应性，以及重新定向和分配所施加的力的能力。为了使机器更具能力，我们的目标是利用这一原理，将柔软性设计应用到机器人中。在这项工作中，我们通过提供一种创建和控制自主、自包含、软体系统的方法来推进软体机器人技术。具体地我们介绍一种新型的包含射流驱动系统及其在软体机器人中实现连续运动的控制算法。我们在一个案例研究中演示了这种软驱动，通过构建一个由船载能源驱动的自动软体机器鱼（图1）。这种鱼的新颖之处在于它使用了一个软质连续体和一个用于软质体的创新流体驱动系统，并且具有平台自主性。所有动力、驱动和计算系统都位于平台上。连续的躯体具有嵌入的柔性脊柱和嵌入的与生物体等比例的肌肉样驱动器。该机器人能够向前游动并进行灵活的动作，做出逃生反应的形式。选择一条鱼作为案例研究，因为它自然地表现出连续的身体弯曲，在逃生反应期间快速运动，在水动力阻力下弯曲的柔性后部，和一个适用于容纳刚性支撑硬件的前臂。我们在一系列实验中评估了该软体机器人的前向游动和逃逸响应动作。我们收集了大量关于逃逸反应的运动学数据，并将机器人的性能与各种生物鱼的研究进行了比较。我们证明，我们的机器人系统，虽然在不同的时间尺度上，能够模拟逃逸反应的基本结构，并且所执行的操作中具有与在生物鱼中观察到的有相似的输入-输出关系。
性能和自动化是流体动力软体机器人的竞争目标。一些流体动力的软体机器表现出很有前途的功能，如行走和跳跃，但主要是由笨重的外部硬件驱动，限制了它们的实际使用。相反，也有自给式流体软体机器人的例子；然而，由于所有支持硬件都在平台上的限制，这些机器人的性能与刚性机器人相比受到严重限制。这项工作所面临的主要技术挑战是推动软体机器人同时能够快速实现连续体运动和自给。我们通过设计和建造一种能够模拟鱼类逃逸反应的软体机器人鱼来说明我们提出的技术方法，因为这种动作体现了快速和连续的身体运动，并显示出能在鱼类身上所能看到的最高加速度。
软体机器鱼呈现出传统刚性体机器鱼无法实现的连续运动。例如，尽管存在许多著名的机器鱼，但这些先前的机器鱼系统具有由固定关节连接的刚性段组成的身体，因此无法再现灵活的逃逸响应动作中所观察到的身体运动。先前尝试使用了由多个位置控制的刚性连杆组成的身体来重建逃生响应；然而，这种完全驱动的刚性身体系统无法捕捉到逃生响应动作的连续运动。
我们建立几项前期的工作，这些工作的目的是利用生物激发的柔性尾部来创造机器鱼。Lauder及其同事研究了由外部机器人驱动器驱动的自动推进柔性箔。Valdivia y Alvarado和Youcef Toumi在设计机器鱼时使用了柔性的身体来模拟自然鱼的游动运动学。同样，机器鱼丝状体也有柔性的后部，并用作鱼类感知和运动的试验台。这两个系统都是电缆驱动的，并由机载伺服电机驱动，但缺乏自发性，需要外部电源。最近，研究人员开发了一种缆索驱动的弹性弹簧钢脊柱模型，用以模拟逃逸响应行为；然而，在该系统中，电机、控制系统和电源都在设备外部，且其运动受到限制。Long等人已经开发出一种柔性仿生脊柱，用于推动一个自动的水面游泳机器人。该机器人还可以执行逃逸响应。同样，一个伺服电机用于驱动柔性的脊柱。虽然该系统是自主的，但相对于上述工作，只有身体的一小部分是柔性的，即后尾，由于它的大前部是一个表面血管，所以系统仅限于表面游动。值得注意的是，上述柔顺的机器鱼基于传统机电驱动器驱动的被动、柔性机构的原理工作，它们的主要目的是了解柔性体的流体力学。然而，在这项工作中，我们的主要目标是开发一种嵌入在柔性体中的流体驱动系统，在一个完全独立的系统中产生一个柔性和主动的身体。
我们还建立在以前的工作基础上，引进了柔性的自动身体的机器人游泳运动员。Shen等人使用离子聚合物-金属复合材料的振荡条作为海豚式机器人的躯干。这是一个自由游动的机器人，但又受到外部连接的限制。也许最接近我们成果的先例是Festo开发的Airacuda鱼。这个机器人有一个灵活的身体，由射流驱动器驱动。与我们的系统类似，射流和电子元件位于鱼的刚性前部，其执行器沿其柔性躯干的长度延伸。然而，这个系统在设计上与我们的大不相同。它由一个塑料骨架组成，覆盖着柔软的皮肤，沿着前后轴有两个执行器，而我们的身体几乎完全由软橡胶组成，沿着前后轴有许多执行器嵌入在背腔方向（参见材料和方法中的执行部分）。另一个不同之处是，Airacuda可以使用机载气动驱动系统进行静态潜水和游泳，而我们关注的机器鱼的重点是向前游动和平面逃生反应动作。
本文介绍的工作不同于先前的设计、制造和控制工作，使软体机器鱼具有新的自动化能力。具体而言，本文的主要贡献包括：
·一种能快速实现物体连续运动的新型射流软驱动系统
·一种设计、制造和自动控制、独立的软体机器人的方法
·一种独立的软体机器人装置，它体现了我们设计软体机器人的方法，并模拟了生物鱼的前进游动和平面逃逸动作，以及对机器人的实验评估
材料和方法：
系统概述：
软体机器鱼的一个决定性特征是驱动力与系统其他部分的分离，具体地说，是以加压流体的形式利用机械能而不是电能来驱动。机器鱼的身体（图1C-E、G-I和Q）完全由射流弹性执行器（FEAs）组成，这些执行器由加压流体直接驱动，因此执行器不会发生能量转换。然而，为了控制射流系统，支撑阀硬件也被纳入结构中，以电气方式处理并与机械驱动系统隔开。
这种软机器人搭载了传统机器人的所有子系统：驱动系统、电力系统、驱动电子、计算和控制系统。这些系统（图1K-N）存储在鱼类的刚性前部区域（A），在逃逸响应期间，该区域对身体曲率的贡献最小。这些子系统中的技术进步使软体机器人能够在水下自动操作。
驱动：
流体弹性执行器技术是软体机器鱼的核心。流体弹性执行器是在流体压力下弯曲的弹性体模块。弯曲采用双层双晶片结构。加压气体膨胀嵌入弹性体层内的流体通道，和第二个不可拉伸但灵活的层作用于约束膨胀通道沿一侧产生的轴向张力。这将弹性体中的侧向应力转化为一个弯曲力矩。此外，第三层可用于形成双向弯曲的流体弹性驱动器：夹在主动和拮抗扩张层之间的不可拉伸约束层，如参考文献所示，这种双向流体弹性促动器结构是软体机器鱼的基础（见图1G，激动层；H，约束层；I，拮抗层）。然而，在这项工作中，我们有先进的射流弹性驱动器技术，放弃了简单的矩形形状，并创造出符合鱼类复杂解剖形状的射流弹性驱动器。锥形双向流体弹性驱动器的结构和工作原理如图2所示。
在他们的模型中，Onal和同事利用通道的物理特性和内部执行器的压力Pa来描述矩形流体弹性体执行器的总弯曲角theta;，
,
. (1)
这里，n是通道数，w是通道宽度，ε是材料应变和材料应力sigma;的非线性函数，最后，ha和hc分别是驱动器和通道的恒定高度。然而，由于我们的驱动器与均匀通道的矩形驱动器有很大的不同，我们开发了一个新的模型。通过扩展参考文献中提出的模型，包括可变通道高度和径向应力（即垂直于不可拉伸约束层），我们可以静态地模拟锥形流体弹性驱动器的非均匀弯曲（图2）。具体地说，在给定的嵌入通道n（表示为theta;n）之后，沿致动器长度的累积角可以估计为前一通道的物理特性和Pa的函数，
, (2)
, ,. (3)
这里，i是通道索引，alpha;i和phi;i是索引通道的构造角，w和表示索引通道的初始宽度和变形宽度，h和表示索引通道的初始高度和变形高度。这些参数如图2C所示。需要注意的是，该简化静态模型假设通道变形纯粹是通过延伸其侧壁和顶壁，并且这些壁应力基于初始通道几何体。实际上，随着通道曲面的变形，墙应力也会发生变化。因此，该分析模型对小变形最为有效，即当压力较低时，实际应力近似于由初始通道几何计算得到的应力。该模型还忽略了外力，如执行器对半部分产生的压缩力。在图2D中，我们显示了覆盖在执行器实际弯曲顶部的鱼的前执行器的预测弯曲。在这里，theta;n预计为52度，但测量值约为45度。表1列出了该实验的执行器特定参数值。
静态分析表明，通过独立地改变嵌入通道的高度，可以获得物体的净复杂曲率。曲率剖面可以机械地“编程”到鱼的身体的几何结构中。这种结构有助于简化计算控制输入。例如，一个二进制控制输入可以用来驱动机器人的身体通过一个复杂的运动轨迹（图7）。
本例子研究中使用的机器鱼采用了四个硅流体弹性执行器，这些执行器模制成正常鱼的细长解剖结构，形成一个驱动但连续变形的身体。驱动体跨度为机器人总长（30.5cm）的43%至100%（图1，顶部）。嵌入的射流通道被分为两个独立的驱动对：一个是前臂长度的45%到70%范围内的激动性和拮抗性对（图1C），一个是后臂长度的70%到90%（图1E）。分离激动性和拮抗性通道群是沿着鱼的后中线引入的一个不可拉伸但灵活的约束层（图1D和H）。这一层使通道应力产生身体弯曲，类似于肌肉在鱼的脊椎动物柱上产生弯曲力矩的过程，尽管是相反的。
一种制造工艺被开发出来，首先铸造，然后结合鱼的软体的组成部分。流程如图3所示。首先，主体的每半部分都是由硅橡胶通过两部分模具铸造而成。上模件形成前后执行器组的嵌入通道，下模件形成解剖鱼形（图3[1a]）。同样地，连接件铸有孔，用作每个通道组的接入端口，并具有内部面板，允许连接件与鱼的刚性前部配合（图3[1b]）。此外，一个薄的约束层是铸造一个嵌入0.5毫米缩醛膜，提供不可拉伸性，也形成尾鳍（图3[1c]）。接下来，这四个零件进行后铸制备，并使用一层薄层硅酮（图3[2]）依次粘合在一起。一旦粘合在一起，身体就可以附着在坚硬的前部（图3[3]）。
如前所述，流体能量用于驱动机器人的身体。身体结构上所做的功是由车载电源系统完成的。当物体被驱动时，其中一部分作为势能WElastic储存在弹性体和可压缩流体中，剩余部分由于物体内外的摩擦WResistive而消散。为了描述以不同速率驱动物体所需的相对工作量，采用与测量呼吸工作类似的压力-容积分析技术。当浸入水中时，随着进入执行器的流量变化，前动力执行器被反复填充至目标容积VD，从基线流量5l/m到最大流量50l/m。测量了内部执行器压力Pa和体积v的变化。我们假设在基准流量下，没有电阻损耗，并且所有传递到执行器的能量都是弹性存储的，
. (4)
在高于基准线i的每一个流速下，在物体上所做功的电阻分量可以近似为 . (5)
图4显示了不同流量下的压力-体积分布以及工作计算的图解。表2列出了在不同流速下对水中的软性躯体所做功的总的、弹性的和电阻的成分。这里，功是根据方程4和方程5计算的，不是直接测量的。当驱动器以更高的速率驱动时，功的电阻分量增加；然而，即使在最高的驱动速率下，近78%的传递能量还是弹性存储的。
电源：
为了驱动运动，载体上必须有一个提供流体动力的装置。在自动化软机器人应用中，电源的能量密度（MJ/L）最大化是极为可取的。作为解决方案，我们在参考文献中对我们的方法进行了扩展，并再次使用8g二氧化碳气瓶在高压和低容积下容纳液体（图5A）。在这种形式下，可以将相对大量的流体能量存储在适合存储在机器人的身体中。
高压容器内储存的总势能E和能量密度D可以通过假设能量释放是等温的和忽略流体相的变化来进行理论推导，
. (6)
这里，供给压力Ps是体积v的非线性函数，这个关系是用范德华气体定律定义的。体积v0是气体蒸汽压对应的流体体积，Ps（v0）=Pvapor。体积vf是流体在标准
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