无需复杂控制！东京工大学打造串联自激气动执行器，实现机器人“自适应”环境！

摘要：其中，气动软执行器作为该领域内研究最为广泛的类型之一，凭借其驱动方法简便且输出力相对较大的优势，在软机器人领域中被频繁应用于实现柔顺运动。这类软机器人的控制通常依赖于处理传感器数据，并通过电磁阀调节气流以执行计算出的输出指令。

近来，软执行器技术因其能实现柔顺且逼真的运动特性在业界备受关注。

其中，气动软执行器作为该领域内研究最为广泛的类型之一，凭借其驱动方法简便且输出力相对较大的优势，在软机器人领域中被频繁应用于实现柔顺运动。这类软机器人的控制通常依赖于处理传感器数据，并通过电磁阀调节气流以执行计算出的输出指令。

然而，传统控制系统通常比软执行器和软机器人本体更笨重、体积更大，这可能会限制机器人柔顺运动的范围。为了减小控制系统的体积和刚性，并与软机器人保持良好兼容性，有研究人员曾尝试用机械或化学手段替代电气元件，以实现阀门和逻辑电路的功能，但这类机器人即无电子机器人的机械阀门和逻辑电路难以与执行器或软机器人主体的无缝集成，应用仍面临重重挑战。此外，基于这些技术开发的机器人运动能力也受其组件综合性能的限制，要使机器人适应工作环境，需投入高昂的开发和计算成本。

▍提出新型自激气动执行器，实现通过物理接触调整振动特性

针对以上难题，来自东京工业大学的研究团队展开了深入研究，并重点关注自激振动执行器上，尝试开发出能够通过与环境交互而产生自适应行为的机器人。研究团队提出了一种串联耦合的自激气动执行器设计，该执行器的振动特性可以通过物理接触进行调整。

具体而言，这种执行器由两个串联的自激扁平橡胶管构成，通过耦合作用，它们能够相互影响彼此的振动特性，从而实现多种单一的执行器难以达成的振动模式。

在完成执行器的建模和原型设计后，研究团队对其性能进行了评估，并将其应用于一种无需复杂控制系统即可自主操作的机器人上。

通过对比仿真和实验结果，研究团队验证了所提出执行器的有效性，并展示了该执行器在沿拐角路径进行自适应操作方面的适用性。

目前，这项研究成果的相关论文已以“Serially Coupled Self-Excited Pneumatic Actuator for Environment-Adaptive Steering Robot”为题，发表在《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊上。

▍串联自激气动执行器的设计与实现

串联扁平环管（Flat Ring Tube, FRT）执行器，利用扁平管在弯曲时干扰气流产生屈曲点的特性，可通过精确施加和释放气压，使得屈曲点在管体上顺序传播，从而引发管体的振动。这种振动被巧妙地转化为机器人的踢击地面动作，为机器人的移动提供了持续而稳定的动力。

串联FRT执行器的设计通过连接两个FRT的流路，使得两个管体能够相互作用、协同工作，进一步增强了执行器的适应性和灵活性。

为了深入探究串联FRT执行器的振动特性，研究团队提出了一种理论模型。该模型将FRT执行器简化为质量-弹簧-阻尼系统，通过模拟自激振动的原理，对FRT执行器的运动规律进行了深入细致的分析。同时，团队还充分考虑了排气滞回现象、FRT曲率变化以及输入气压等多种因素对执行器振动特性的影响，通过耦合非线性微分方程，在MATLAB Simulink中进行了模拟，采用了四阶龙格-库塔方法进行数值求解。模拟结果显示，随着FRT2曲率的增加，FRT1的振动逐渐减弱，而FRT2的振动逐渐增强，最终只有FRT2振动。这一结果与预期相符，验证了串联FRT执行器的可行性。

为了验证理论模型的有效性和准确性，研究团队进行了全面而详细的实验评估。他们选用了柔软的硅胶橡胶作为FRT执行器的制作材料，并通过精心设计的实验装置，对执行器的振动特性进行了系统的观测和分析。

在实验中，团队通过调整FRT2的曲率和输入气压，观察了执行器的振动特性变化。实验结果显示，当FRT2的曲率逐渐增加时，FRT2开始振动，而FRT1的振动逐渐减弱，最终只有FRT2在振动。这一实验现象与理论模型的预测结果高度一致，充分证明了模型的有效性和准确性。

此外，研究团队还对输入气压对执行器振动特性的影响进行了深入探讨。他们发现，当输入气压低于一定值时，执行器无法有效振动，无法为机器人提供足够的动力。而当气压达到一定水平时，执行器则能够稳定地振动，为机器人的移动提供持续而有力的支持。这一发现对于优化执行器的设计和提高机器人的运动性能具有重要意义。

▍环境适应型转向机器人设计与性能验证

为了验证并评估所提出串联自激气动执行器的性能，研究团队通过对四足机器人进行改造，设计了一款环境适应型转向机器人。其设计核心在于可通过改变腿部（即FRT执行器）的运动来响应周围环境，从而实现自主改变运动方向的功能。

具体来说，该机器采用了串联FRT执行器设计，可通过与环境接触改变FRT2的曲率，进而影响作为前腿的FRT1的振动状态。这一创新设计使得机器人能够在复杂环境中灵活调整行进方向。

在构造上，机器人的四条腿均配备了由中央气压源供气的FRT执行器，前腿以一定角度安装，形成张开的姿态。同时，机器人的躯干中也融入了两个FRT执行器，通过绳索约束使其以略低于引起屈曲的阈值曲率向外弯曲。这种独特的设计使得机器人在与环境交互时，躯干FRT执行器能够快速屈曲，从而迅速响应环境变化。

在原型制作上，研究团队使用硅胶橡胶制成机器人的FRT执行器，并使用3D打印技术制作结构组件及固定组件则，所有组件均用不锈钢螺栓连接。前腿和后腿的FRT执行器分别以特定的角度安装在机器人上，以确保机器人在行进过程中的稳定性和灵活性。同时，机器人还配备了导向器，以减少机器人与墙壁之间的接触面积，最小化摩擦力，促进前腿的旋转和后腿与路径的平行保持。

在转弯机制上，当机器人遇到拐角时，其中一条前腿（FRT1）会与墙壁碰撞，导致同一侧的躯干FRT2（FRT2）弯曲，曲率增加。这一变化会停止FRT1的振动，而另一侧的前腿继续振动，从而驱动机器人旋转离开拐角。转弯完成后，弯曲的躯干FRT2伸直，机器人恢复直线前进。

为了评估机器人的自我转向性能，研究团队对原型机器人进行了实验测试。在包含不同角度拐角的路径上，配备了串联FRT执行器的机器人展现出了出色的自我转向性能。实验结果显示，机器人能够在拐角处按设计响应，灵活转弯，并顺利到达终点。相比之下，没有串联FRT执行器的机器人在遇到拐角时无法有效转弯，持续与墙壁碰撞。