模块化柔性驱动新方法3D打印柔性机器人

一只灵巧的“尺蠖”，牢牢地抓住圆形管，一伸一缩中蜿蜒前行。其实，这只灵活的“尺蠖”是一款采用了天津大学左思洋、刘建彬课题组研发的新型模块化柔性驱动方法3D“打印”出来的软性机器人，可应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。该成果2021年1月初在线发表在《美国电气电子工程师学会机器人和自动化快报（ IEEE Robotics and Automation Letters）》上。

软性机器人因其较高的柔性和对人体安全等优点，近几年得到持续广泛的关注。而3D打印的优势在于制造复杂形体、复杂结构而且不需要后续加工，可一次成型。打印免组装结构，是3D打印技术制造软性机器人比较典型的应用。

左思洋、刘建彬课题组提出了一种基于薄膜气缸的新型模块化柔性驱动方法，根据具体应用改变排列组合方式以及合理布置连接方案，将其应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。

“每一个薄膜气缸就好比人体的一小块肌肉，或者爬虫的一个‘节’，只不过是用热塑性聚氨酯材料做的。”刘建彬解释说，采用这种新型薄膜气缸结构是团队的“奇思妙想”，如果把这个结构比喻成一个基本的肌肉单元，那根据不同的应用需求再对这些单元的连接方式进行排列组合和布局连接，就像是把一个个的肌肉单元连接起来形成一整块肌肉，然后再应用于不同场景。

整块“肌肉”的制造过程采用了3D打印技术，一次成型，省掉了传统机电设备加工制造中的装配流程，大幅降低了驱动模块的制造成本和周期，且具备耗气量小、动态响应高、可靠性高、对应用场景适应性强等特点。

基于此创意，课题组首先提出了一种新型气动人工肌肉，可应用于柔性外骨骼等人机交互装备的驱动中。气动即以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。与传统气动人工肌肉相比，该设计最突出的特点是不会产生厚度方向的膨胀，从而避免了对人体的挤压。

此外，课题组还提出了一种新型气动管道爬行机器人，可应用于工业管道设施的检查和实时监控。该管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理，通过巧妙布置薄膜气缸单元之间的连接，实现机器人在管道内、外壁面爬行。柔性驱动方式的应用使该机器人能够适应大范围管道直径的变化，并可应对直管、弯管、竖管、水平管以及各种角度倾斜管应用场景，同时机器人可承受自重80倍以上负载。

因为采用了气动方法驱动，软性机器人只能拖着长长的气管尾巴工作。如果将传感器集成到设备中，也就能去掉这些气管尾巴，使机器人更独立精致，这也是科学家们未来的努力方向。