清華新聞網(wǎng)1月14日電 近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系國(guó)家特聘專(zhuān)家廖洪恩教授課題組在氣動(dòng)軟體機(jī)器人領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展。課題組提出的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)具有“正負(fù)壓一體化”和“可控充放氣”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可作為通用的氣動(dòng)平臺(tái)，適用于研究中普遍的氣動(dòng)軟體機(jī)器人的多種氣壓需求和精細(xì)氣壓控制。
軟體機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)新興分支，與剛性結(jié)構(gòu)相比，具有高柔順性、大自由度和環(huán)境共融性，在仿生機(jī)器人、搜索機(jī)器人、輔助設(shè)備和醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。氣動(dòng)軟體機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)性能均通過(guò)單個(gè)或多個(gè)氣腔形變組合進(jìn)而控制機(jī)器人的位姿和運(yùn)動(dòng)，因此精確、穩(wěn)定的氣壓控制可直接影響氣動(dòng)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。軟體機(jī)器人靈活性和機(jī)器人任務(wù)的復(fù)雜性的提高，對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)及氣壓控制精度提出了更高的要求（圖1）。
圖1.典型的正壓、負(fù)壓、正負(fù)壓混合驅(qū)動(dòng)的單腔軟體驅(qū)動(dòng)器
目前的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)中，氣缸方案氣體體積難以保證持續(xù)的供氣，氣泵方案大多數(shù)只能提供正壓或負(fù)壓的單一壓力狀態(tài)，難以滿(mǎn)足正負(fù)壓驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)需求；且由于電磁閥的離散開(kāi)關(guān)特性，在放氣過(guò)程中氣壓會(huì)發(fā)生急劇下降，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制；一些同時(shí)產(chǎn)生正壓和負(fù)壓的氣動(dòng)方案通常使用多個(gè)單獨(dú)的泵源分別提供正壓和負(fù)壓，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且難以實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓的平穩(wěn)快速轉(zhuǎn)換。
圖2.正負(fù)壓一體化可編程壓力氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型機(jī)及單路氣動(dòng)方案原理
該研究提出的創(chuàng)新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)理念和氣動(dòng)配置，可滿(mǎn)足各種機(jī)器人應(yīng)用的不同壓力要求（圖2），具有“正負(fù)壓一體化”和“可控充氣和放氣”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，該方案單路僅使用一個(gè)泵源和最少量的電磁閥組合即產(chǎn)生從負(fù)壓到正壓范圍的可編程壓力狀態(tài)。設(shè)計(jì)了特殊的控制策略和閉環(huán)反饋控制算法，以實(shí)現(xiàn)充氣和放氣過(guò)程的可控和精確的壓力調(diào)節(jié)（圖3），作為氣動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域通用的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，可進(jìn)一步集成化和小型化，具有普適性（正壓、負(fù)壓、正負(fù)壓混合驅(qū)動(dòng)）和擴(kuò)展性（氣動(dòng)、液動(dòng)）。該研究突破了軟體機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案的技術(shù)瓶頸，解決了現(xiàn)有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案單一壓力狀態(tài)、放氣過(guò)程壓力不可控的問(wèn)題，對(duì)軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和控制領(lǐng)域具有重要價(jià)值和意義。
圖3. 可控并聯(lián)平臺(tái)應(yīng)用示范
上述研究成果以“正負(fù)壓一體化可編程氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”（Pneumatic System Capable of Supplying Programmable Pressure States for Soft Robots）為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）上。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2019年博士畢業(yè)生，現(xiàn)西湖大學(xué)工學(xué)院助理研究員張博語(yǔ)為該研究的第一作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授廖洪恩是該研究的通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
http://doi.org/10.1089/soro.2021.0016
供稿：醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：李含
