一、現(xiàn)有關(guān)節(jié)驅(qū)動策略需加額外組件

　　在軟體機器人領域，科研人員通過在機器人結(jié)構(gòu)中融入彈性和柔性設計，努力重現(xiàn)自然生物多功能性，特別是學習生物可以和不確定、動態(tài)的外部力量或環(huán)境進行有效互動的能力。

　　不像大多數(shù)動物使用拮抗肌來產(chǎn)生運動，蜘蛛采取液壓方式進行腿部運動，具有獨特優(yōu)勢，這對機器人關(guān)節(jié)研發(fā)是一個重要的參考案例。

　　蜘蛛腿關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)通過液壓創(chuàng)建擴展。堅硬的外骨骼有符合要求的關(guān)節(jié)分割，關(guān)節(jié)的外側(cè)有柔軟的波紋管膜。外骨骼中的空腔中含有蜘蛛的血淋巴，既是蜘蛛的“血液”，也是液壓油。液體由蜘蛛前體的肌肉加壓，關(guān)節(jié)柔軟的波紋管膜在加壓時膨脹，導致腿部伸展。蜘蛛恢復腿部彎曲則依賴于彈性組件或外骨骼內(nèi)的肌肉。

　　想復制出像動物關(guān)節(jié)一樣功能的機器人關(guān)節(jié)，需要使用一個輕量級的驅(qū)動裝置，它可以支持高速和高功率輸出、大幅度位移，并兼容無限制操作。雖然有無數(shù)種驅(qū)動策略存在，但還沒有一種技術(shù)能滿足所有這些要求。液壓放大自愈式靜電（HASEL）驅(qū)動器和袋狀電機（pouch motor）解決了其中的一些問題。

　　HASEL使用導電液體驅(qū)動機制，由包裹著的電極和內(nèi)裝自愈絕緣液體的彈性軟袋組成，在對其施加電壓時，正負電極會相互吸引，從而擠壓液體、改變軟袋的形狀，模擬人體肌肉的收縮。由于其可控制的線性收縮、可延伸的制造方案和可選擇材料的通用性，Peano-HASEL驅(qū)動器在仿生機器人系統(tǒng)中尤其具有吸引力。然而，由于需要將線性運動轉(zhuǎn)換為帶角度的輸出，因此很難將Peano-HASEL執(zhí)行器集成到分布式關(guān)節(jié)連接系統(tǒng)中，這一要求增加了設計的復雜性，并限制了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的可偏移程度，需要引入額外的組件。

　　▲HASEL驅(qū)動器

　　另外一些驅(qū)動技術(shù)，強調(diào)了機械有向性結(jié)構(gòu)在機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點，包括集成剛性結(jié)構(gòu)組件與軟驅(qū)動，用于毫米到厘米尺度的機器人關(guān)節(jié)設計。特別是，Niiyama等人推出的袋狀電機，由一個或多個由熱熔粘接方法制造的氣密膀胱（稱為袋）組成，通過其分布式設計和機器人關(guān)節(jié)控制設計，提供了一種很有前途的連接方法，但仍然存在常見的氣動學缺陷，需要通過復雜的有損耗空氣網(wǎng)絡分配壓縮空氣供應；因此，帶寬和多自由度可控性仍然受到限制。

　　▲袋式電機

　　二、SES關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、取材方便

　　為了滿足高性能驅(qū)動器的需求，實現(xiàn)關(guān)節(jié)快速連接，并可以無縫集成到機器人結(jié)構(gòu)中，研究人員研發(fā)出了一種蜘蛛啟發(fā)式電動液壓機器人軟關(guān)節(jié)驅(qū)動（SES）裝置。SES驅(qū)動器吸收了線性Peano-HASEL執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)袋狀電機的特性，具有高比扭矩（可與電磁式伺服電機相比）、快速操作（演示高達24Hz）、低功耗和反驅(qū)動能力，全部采用輕量級設計。

　　▲由蜘蛛腿部液壓啟發(fā)的SES驅(qū)動器原理

　　其中關(guān)鍵部件就是研究人員制作的由薄塑料薄膜（聚酯或聚丙烯都可以）制成的柔性袋，其中填充了液體電介質(zhì)——一種植物油。然后研究人員在袋子的每一側(cè)放置了電極，讓這些充滿液體的柔性袋用作驅(qū)動器，通過靜電力產(chǎn)生液壓動力。柔性袋連接到旋轉(zhuǎn)接頭，當在電極之間施加高電壓時，靜電力會導致液體電介質(zhì)在柔性袋內(nèi)移動，接頭會彎曲。SES關(guān)節(jié)能夠旋轉(zhuǎn)高達70度，產(chǎn)生高扭矩，并且可以輕松恢復到起始位置。

　　“SES關(guān)節(jié)非常簡單和輕便，因為沒有外圍組件會加重機器人的負擔，”馬克斯普朗克研究所機器人材料部主任克里斯托夫·開普林格（Christoph Keplinger）說：“軟體機器人的許多應用，都需要多功能執(zhí)行器。這些受蜘蛛啟發(fā)的關(guān)節(jié)具有很高的功能性，并且只消耗很少的能量，它們制造起來既簡單又便宜，我們使用的是塑料用食品包裝，而且這些產(chǎn)品很容易延展。這些都是對機器人設計至關(guān)重要的品質(zhì)，機器人可以采用多種不同的方式移動并操縱各種物體，而不會破壞它們。”

　　▲多節(jié)假肢式機器人

　　科學家們分別展示了雙向關(guān)節(jié)、多節(jié)假肢和三指抓手機器人，它們都可以輕松抓取小巧的物體。

　　三指抓手是該團隊使用SES關(guān)節(jié)展示其多功能性的一種應用。研究人員為抓手配備了類似肌肉的結(jié)構(gòu)，以抓住阻礙其運動的物體。使用SES接頭作為抓手的連接裝置，需要的空間會小很多。

　　▲三指抓手式機器人

　　該論文的第一作者尼古拉斯·凱拉里斯（Nicholas Kellaris）說：“這項研究之所以引人注目，是因為我們可以使用多種材料，甚至是用來制作薯片袋的塑料來制作柔性袋。這樣我們就可以在各種幾何形狀中使用SES，并具有專門調(diào)整的驅(qū)動特性?！?/p>

　　論文第二作者菲利普·羅特蒙德（Philipp Rothemund）補充道：“我們研究的最終目標不是制造蜘蛛機器人。我們想開發(fā)一種最先進的主動關(guān)節(jié)，您可以將其放入任何類型的機器人中。”

　　特別是對于只有幾厘米大小的小型機器人系統(tǒng)，有限的空間嚴重限制了執(zhí)行器技術(shù)的選擇，SES關(guān)節(jié)將非常有用。對于軟體機器人領域來說，這項發(fā)明確實是一個飛躍。

　　三、SES在關(guān)節(jié)處直接集成驅(qū)動，性能更高

　　使用SES制作的機器人關(guān)節(jié)在扭矩輸出、比扭矩、關(guān)鍵速度、能量消耗等方面均有突出表現(xiàn)：

　　SES關(guān)節(jié)扭矩輸出更高。最小能量型介電柔性關(guān)節(jié)扭矩輸出為2.3mN.m，而SES關(guān)節(jié)的扭矩輸出超過70mN.m。此外，與連續(xù)式HASEL相比，由SES關(guān)節(jié)制成的夾持器能夠大幅提高穩(wěn)定性和抓握力，從而實現(xiàn)更靈活的操作。

　　比扭矩（N.m.kg?1）即驅(qū)動器每立方厘米的上受到的扭矩力，是衡量旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動器的一個重要度量指標，驅(qū)動器此指標數(shù)值越高則性能越突出。SES關(guān)節(jié)在此項指標性能上可與電磁驅(qū)動器相媲美，后者是厘米尺度機器人系統(tǒng)的黃金標準。當歸一化驅(qū)動器質(zhì)量（1.36g）時，SES比扭矩高達21.2N.m.kg?1。根據(jù)德米扎基斯（Dermitzakis）等人的研究，各種伺服電機可達到最大比扭矩約為15N.m.kg?1（扭矩大小與伺服電機尺寸無關(guān)）。SES比扭矩表現(xiàn)極佳。

　　SES關(guān)鍵速度快，測量出的滾轉(zhuǎn)頻率為24赫茲，激活時間低至12毫秒。與依賴于系統(tǒng)內(nèi)外熱量緩慢擴散的熱驅(qū)動系統(tǒng)相比，SES關(guān)節(jié)所采用的靜電機制既快速又可擴展到大型陣列。

　　以SES關(guān)節(jié)基礎的電液壓裝置在模型系統(tǒng)中顯示出了20%的效率，此外，SES關(guān)節(jié)表現(xiàn)出捕獲狀態(tài)，這意味著它們在保持一個驅(qū)動狀態(tài)時消耗很少能量，與狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換相比，保持一個驅(qū)動狀態(tài)時的能量消耗減少了80倍。

　　SES關(guān)節(jié)的固有捕獲狀態(tài)，將有助于創(chuàng)建高效的多自由度機器人系統(tǒng)，允許從不連續(xù)驅(qū)動的關(guān)節(jié)獲得最小的能量（例如，穩(wěn)定組件）。此外，其靜電致動器，可以通過實施電荷回收系統(tǒng)來提高表觀效率，此前壓電致動器中使用的電荷回收系統(tǒng)可以回收致動過程中50%以上的能量。與傳統(tǒng)的流體驅(qū)動相比，SES關(guān)節(jié)無需流體管路和控制閥，而是易于成型的平面電氣連接。

　　SES關(guān)節(jié)可以應用于各種關(guān)節(jié)機器人設計，利用機器人結(jié)構(gòu)固有的機械部件為關(guān)節(jié)提供必要的支持層。此外，它們的電氣操作是無聲的，并允許執(zhí)行器輸出的直接電氣到機械控制。電液系統(tǒng)的控制可以通過使用外部傳感器的閉環(huán)控制方法來增強，甚至可以利用其使用電容測量自我感知變形狀態(tài)的固有能力。

　　結(jié)語：SES為微型機器人提供更多可能

　　機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置是機器人的動力來源，可分為液壓式、氣動式、電磁式和廣義元件式等多種類型。因為電機具有啟動速度快、調(diào)試范圍廣、過載能力強等優(yōu)勢，使用電機的電磁驅(qū)動方式最為常見。之前的液壓驅(qū)動式裝置存在耗能大、漏液、維護成本高等缺點，限制了在機器人中的應用。而SES的出現(xiàn)改善了機器人液壓式驅(qū)動裝置的一些性能，實現(xiàn)更強的輸出能力，更小的安裝空間，更省的能量消耗。

　　SES裝置的優(yōu)點還在于可以使用多種材料來制作其中的柔性袋部件，即使是薯片包裝袋材料也可以，SES使用范圍更加廣泛。而可以在更小安裝空間上使用，則是厘米級機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置又多了更多選擇。SES很可能在微型機器人領域發(fā)揮重要作用。