為了實(shí)現(xiàn)安全可靠的的人機(jī)交互，機(jī)器人一定要具備一定的柔性（compliance）。除去利用傳感器信息和精確的控制來讓帶有剛性減速器的電機(jī)實(shí)現(xiàn)柔性，我們也可以通過設(shè)計(jì)自體具備柔性（self-compliance）的驅(qū)動(dòng)器，比如氣動(dòng)人工肌肉（pneumatic artificialmuscle）。近日，由香港大學(xué)陳永華教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在國際著名機(jī)器人期刊《軟體機(jī)器人》（softrobotics）的一篇論文中提出了一種全新的柔性驅(qū)動(dòng)器，“扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)器”（twisting tubeactuation，簡稱TTA），利用持續(xù)扭轉(zhuǎn)充滿空氣的細(xì)長彈性管，同步輸出氣壓和沿著管的收縮力，從而實(shí)現(xiàn)了不受束縛（untethered）的多模式流體驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式成本極低，具備本體柔性，更重要的是該驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)多種變化模式，有很大潛能用于柔性機(jī)器人以及可穿戴設(shè)備中。

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器人概念和樣機(jī)

一種全新的多模式流體驅(qū)動(dòng)：扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)

隨著機(jī)器人走入我們的生活，能夠安全與人進(jìn)行交互的機(jī)器人技術(shù)越來越重要。對于由電機(jī)，減速器控制的機(jī)器人（如KUKA柔性機(jī)械臂），我們可以用傳感器和控制算法等來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔性，我們也可以通過設(shè)計(jì)新型的驅(qū)動(dòng)器，讓它們自身就帶有“柔性”的特點(diǎn)，比如著名的氣動(dòng)人工肌肉（pneumatic artificialmuscle）（FESTO柔性仿生機(jī)械臂），但美中不足的是氣動(dòng)人工肌肉需要連接到大型氣泵來提供足夠的氣壓，因此也限制了它的實(shí)用性。今天，小編為大家介紹一種全新的柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法，不受束縛（untethered）的多模式流體驅(qū)動(dòng)——扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（twisting tube actuation， 簡稱TTA），能夠不借助于大型氣泵也實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)人工肌肉的驅(qū)動(dòng)。

柔性機(jī)械臂例子

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（TTA）啟發(fā)自生活中常見的力學(xué)現(xiàn)象：扭轉(zhuǎn)屈曲（torsional buckling），它指的是薄壁管在受到較大的扭力時(shí)，會出現(xiàn)突然的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。我們在設(shè)計(jì)汽車傳動(dòng)軸的時(shí)候，常常要想辦法避免“扭轉(zhuǎn)屈曲”現(xiàn)象的發(fā)生。另外在生活中，當(dāng)我們制作香腸，或者是扭氣球時(shí)，也會利用類似的原理達(dá)到快速分節(jié)的效果。那么這種現(xiàn)象是如何用來研發(fā)新的柔性驅(qū)動(dòng)器的呢？

扭轉(zhuǎn)屈曲現(xiàn)象

由香港大學(xué)陳永華教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)一條壁厚適中（管直徑是壁厚的6-8倍左右）的乳膠彈性管時(shí)，會出現(xiàn)一種可重復(fù)螺旋形的變形，并且這種商用乳膠管具有超高彈性（600%）以及長久的使用壽命，因此可以被反復(fù)扭轉(zhuǎn)（多達(dá)上萬次）而不損壞。利用這種特定的變形，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的無束縛多模式流體驅(qū)動(dòng)，也就是“扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（twisting tube actuation，簡稱TTA）”。

乳膠彈性管的扭轉(zhuǎn)屈曲現(xiàn)象

乳膠彈性管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變圖

當(dāng)我們選擇一根細(xì)長的乳膠彈性管，密封兩端，留出一個(gè)氣管接口。然后在其中充滿氣體（也可以是液體），那么在彈性管的一端連續(xù)輸入一個(gè)扭轉(zhuǎn)時(shí)，管中密封的氣體就會被不斷地?cái)D壓出去，相當(dāng)于對外界提供了一個(gè)逐漸增加的氣壓，類似于“泵”的作用。同時(shí)由于橡膠管發(fā)生屈曲變形，在長度方向會有縮短，從而提供一個(gè)收縮力。

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)器的原理解釋

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)器展示

作者指出他們的設(shè)計(jì)是結(jié)合傳統(tǒng)泵可以輸出壓力的特點(diǎn)，以及另一種很經(jīng)典的驅(qū)動(dòng)方式，扭轉(zhuǎn)繩驅(qū)動(dòng)（“twisted string actuation”）， 即通過不斷扭轉(zhuǎn)的繩子實(shí)現(xiàn)沿軸向的收縮運(yùn)動(dòng)（文末附參考文獻(xiàn)）。前兩種驅(qū)動(dòng)模式都是電機(jī)的輸入對應(yīng)了單一的輸出：即收縮力或者氣壓/液壓。但是全新的扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（TTA）模式在電機(jī)單一的輸入下，實(shí)現(xiàn)了“軸向收縮”和“氣壓/液壓”兩種輸出，從而大大提高了驅(qū)動(dòng)效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了無束縛的流體驅(qū)動(dòng)。

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（TTA）的實(shí)驗(yàn)測試

研究者對TTA進(jìn)行了測試， 扭轉(zhuǎn)一段細(xì)長的，充滿壓縮氣體的乳膠管，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在僅有單一的電機(jī)旋轉(zhuǎn)輸入下，收縮力和輸出氣壓隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的變化同步增加。

TTA有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是由可以實(shí)現(xiàn)多種組合模式，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。利用這個(gè)特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款仿生機(jī)械臂，該機(jī)械臂全部采用了扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（TTA）方式的不同模式來驅(qū)動(dòng)，不需要外接到氣泵或者液壓泵，實(shí)現(xiàn)了無束縛的自體柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)。我們先來看一下仿生機(jī)械臂的展示（文末附有完整視頻）。在下一部分會對多種模式的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。

基于扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械臂

扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)器的多種變體及應(yīng)用

通過對乳膠管進(jìn)行分段和添加不同的約束，以及改變安裝方式，就可以實(shí)現(xiàn)多模式驅(qū)動(dòng)。研究者給出了以下三種典型的設(shè)計(jì)。值得注意的是，這三種模式都實(shí)現(xiàn)了“無束縛”的流體驅(qū)動(dòng)，讓流體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器人變得更加具備實(shí)用性。（詳細(xì)的分析可以參考文末的論文鏈接）

三種典型的扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)模式

三種模式分別是：1. 單一“泵”模式：即將一部分乳膠管外部添加氣動(dòng)手指的約束，可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)軟體手指的驅(qū)動(dòng)。2. 串聯(lián)式安裝：將一部分乳膠管外部添加尼龍網(wǎng)約束，可以實(shí)現(xiàn)由扭轉(zhuǎn)管和氣動(dòng)肌肉共同作用的大位移的串聯(lián)式柔性驅(qū)動(dòng)模式。3. 并聯(lián)式安裝：將和扭轉(zhuǎn)端近似等長的氣動(dòng)肌肉并聯(lián)到扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)器一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)大收縮力的并聯(lián)柔性驅(qū)動(dòng)模式。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)完全基于扭轉(zhuǎn)管（TTA）這種全新的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的一個(gè)擬人機(jī)器人手臂。該機(jī)械臂的手肘關(guān)節(jié)由并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，手指部分由安裝在軀干的“泵”模式驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。

基于扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)多種模式設(shè)計(jì)的柔性機(jī)械臂

柔性機(jī)械臂的樣機(jī)

僅僅通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)一些基本的任務(wù)，例如和人進(jìn)行交互握手，彈奏鋼琴，以及抓舉水瓶等（文末完整視頻）。值得注意的是，在這款機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，沒有涉及到復(fù)雜的控制算法或者是精確的傳感器信息，操作員可以安全的和機(jī)器人進(jìn)行交互，而不會過于擔(dān)心被機(jī)器人傷害到。

穿著熊貓玩偶服裝的機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)

總結(jié)與展望

可以看到雖然利用扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)（TTA）設(shè)計(jì)的柔性機(jī)械臂的性能暫時(shí)還不盡人意，不如傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂那么靈巧，但是它徹底擺脫了氣動(dòng)肌肉對于“大型氣泵”的依賴，通過低成本的材料和精妙的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)了“無束縛”的氣動(dòng)柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

研究者團(tuán)隊(duì)指出，這款柔性機(jī)械臂是“扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)”概念的一個(gè)初步展示，在后續(xù)的研究中，會進(jìn)一步通過優(yōu)化設(shè)計(jì)以及選材來提高“扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)”的效果。我們有理由相信“扭轉(zhuǎn)管驅(qū)動(dòng)”有著很大潛力被應(yīng)用于一些服務(wù)機(jī)器人，或者是可穿戴設(shè)備，這種對于精確度和輸出力要求比較低，但是對于柔性和安全性要求很高的場景。
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