Name: 壁虎灵感软机器人的制造、控制和性能评估 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-06-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 40 s
Description: 了解壁虎灵感软机器人的制造、控制和性能评估方法。该协议使用软机器人工具包和气动控制系统，通过手工制作弹性体致动器，实现高效攀爬性能，适用于清洁太阳能镜面或摩天大楼外墙等复杂环境任务。

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作者感谢 Fynn Knudsen、Aravinda Bhari 和 Jacob Muchynski 提供的有益讨论和&#160;启发。

1. 模具的打印
<ol>
	<li>从补充数据1“CAD/Moulds/”中下载模具的*.stl数据。</li>
	<li>使用打印机专用的切片软件将3D模型转换为打印任务。</li>
	<li>使用3D打印机打印模具。</li>
	<li>将打印好的模具放入超声波清洗机中清洗15分钟。</li>
	<li>将模具放入紫外消毒室中至少处理3小时。</li>
</ol>
2. 准备弹性体
<ol>
	<li>开始此步骤前，请准备好以下物品：弹性体（A 组分和 B 组分）、刮刀、塑料杯、模具、电子天平、塑料注射器、螺钉夹具（或类似工具）、带两个对应孔洞的亚克力玻璃板、切割刀。</li>
	<li>将弹性体的 A 组分和 B 组分按 1:9 的比例在杯中混合。将杯子放在电子天平上。首先加入 5 g B 组分（深红色），然后用刮刀加入 45 g A 组分（白色且黏稠）。 
	注意：称量精度应达到 1 g。50 g 混合物足够制作一个驱动器。分取 A 组分的最佳方法是使用刮刀并让其自然滴落，每次滴落操作大约可取 6 g。</li>
	<li>持续搅拌，直至杯壁边缘不再出现白色或红色区域为止。</li>
	<li>将杯子放入真空腔中抽真空 15 分钟，以去除因搅拌过程混入弹性体中的空气。</li>
	<li>将混合好的弹性体装入塑料注射器中，以便更精确地定位弹性体。 
	注意：补充图 1 展示了本节所述的加工步骤。</li>
</ol>
3. 上部（基部）的制造
<ol>
	<li>用两个相对应的孔将一块亚克力玻璃板夹紧在模具上。将注射器插入下方的孔中，并将弹性体压入模具内。</li>
	<li>推动注射器活塞施加压力，直至混合好的弹性体从上方的孔中溢出。</li>
	<li>松开螺钉夹具，将亚克力玻璃板横向取下。 
	注意：必须从侧面取下，切勿向上拔出，否则会导致弹性体被带出模具。</li>
	<li>用尖锐工具刺破上升的气泡。穿刺时不宜过深，否则会引入新的气泡而非消除已有气泡。尤其应刺破较大的气泡，因为这些气泡后续会显著影响执行器的功能性。 
	注意：可选操作是将填满的模具放入真空腔中抽真空，以去除残留的空气。但在此过程中，上升的气泡可能在到达表面之前被卡在模具上，从而在铸件的功能关键区域形成孔洞。补充图2展示了这一现象。</li>
	<li>将模具放入65 °C的烘箱中加热30分钟。</li>
	<li>10分钟后检查弹性体液面是否明显下降。若模具密封不严或因频繁使用而轻微变形，则可能发生此情况。若液面下降超过1 mm，需补充弹性体，然后继续固化。</li>
	<li>在烘箱中总共加热30分钟后，取出模具，并用美工刀切除挤出的多余弹性体。</li>
	<li>用螺丝刀撬开模具，注意不要损伤与浇铸相关的表面。</li>
	<li>将接近完成的执行器从上一步中粘附的模具部分上取下。 
	注意：此时可进行初步目视检查，判断浇铸是否成功。若发现无法修复的缺陷（见补充图3），应在此终止制造过程；较小的孔洞可在后续修复。此外，密封唇在整个圆周上应尽可能明显突出。</li>
	<li>用美工刀切除所有突出的毛边。此步骤有时非常耗时，但对获得良好的最终效果至关重要。 
	注意：补充图4展示了本节所述的加工步骤。上述步骤适用于铸造四条腿（模具文件见补充文件1“CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl”）和躯干的两个基部部件（“CAD/Moulds/small_belly*.stl”）。对于吸盘（机器人的脚部，文件位于“CAD/Moulds/suctionCup*.stl”）或躯干底部部件（“CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl”）的铸造，除步骤3.1和3.3外，其余流程相同，因为这些模具自带注射器接口，无需额外的亚克力玻璃板。总共需制作四个腿部基部部件、两个躯干基部部件、一个躯干底部部件和四个吸盘。</li>
</ol>
4. 下部（底部）的制造
<ol>
	<li>将硅胶管穿过模具底部预留的孔洞，参见补充图5。</li>
	<li>用弹性体填充底座部分的模具，并使用小刮刀将材料涂抹至各个角落。 
	注意：弹性体液面高度不应超过5 mm，也不应低于4 mm，且必须完全覆盖嵌入的管道。腿部底部模具文件见补充文件1“CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”。</li>
	<li>将模具放入烘箱中加热15–20分钟以完成固化。在后续操作中，需暂时保持底座部分与顶部部分连接并留在模具中。</li>
</ol>
5. 连接底座和底部部件
<ol>
	<li>用弹性体填充底部部件的模具，使液面高出已固化的弹性体1–1.5 mm。</li>
	<li>将蝶形针插入基座部分，并标记穿刺位置，以便后续更容易找到该位置。此步骤是必要的，以使烘箱中膨胀的空气能够逸出。</li>
	<li>将基座部分放入底部模具中，并仅将两侧轻轻压入弹性体浴中。</li>
	<li>将执行器放入烘箱中加热10–15分钟，然后取出模具。 
	注意：执行器应能轻松从模具中取出。若无法取出，则可能是弹性体尚未完全固化（此时可延长固化时间10分钟），或底部部件卡在模具中（此时应稍用力拉出）。但通常情况下，若执行器难以脱模，则表明存在问题。</li>
	<li>利用步骤5.2中的穿刺点连接压力源，并进行最终的泄漏测试，参见补充图6。 
	注意：若存在微小泄漏，可进行修复。使用小刮刀涂抹少量弹性体，并在烘箱中加热10分钟，即可封堵泄漏。若所有泄漏均已修复，则执行器制备完成。补充图6展示了本节所述的加工步骤，补充图7展示了第3–5节所述的完整流程。在连接躯干的基座与底部部件时，执行相同步骤，但排除步骤5.1，即不填充模具，而是直接填充底部部件。</li>
</ol>
6. 所有肢体的连接
<ol>
	<li>将待连接的部件用针固定在木板上，以便在后续步骤中保持其位置固定。</li>
	<li>在接合面上涂覆弹性体，如补充图8A所示。确保接合面清洁且无油脂，否则部件在此处会发生分层。</li>
	<li>将组装件（见补充图8B）放入烘箱中加热10–15分钟。</li>
</ol>
7. 安装供液管入口
<ol>
	<li>使用1 mm的内六角扳手进一步扩大步骤5.2中蝶形针插入口的宽度。</li>
	<li>将外径最大为3 mm的硅胶管末端套在孔上，并用内六角扳手将其压入。</li>
	<li>用少量弹性体密封入口，这也能防止机械应力造成的损伤。</li>
	<li>将组装件放入烘箱中加热10分钟。 
	注意：补充图9展示了本节所述的加工步骤。</li>
</ol>
8. 构建控制箱
<ol>
	<li>从补充数据1“CAD/ControlBox/”中下载外壳对应的*.dxf图纸，并使用激光切割机进行切割。</li>
	<li>根据补充图10A和补充图11，在前面板上组装“用户界面单元”。</li>
	<li>根据补充图10B和补充图12，制作六个“阀门单元”。</li>
	<li>根据补充图10C、补充图13和补充图14，将六个“阀门单元”和“用户界面单元”组装在底板上。然后组装两个侧板和背板。最后安装顶板。</li>
	<li>根据补充文件1配置控制箱内嵌的两块单板计算机，并将补充数据2中提供的完整“Code”文件夹（包括所有子文件夹）上传至两块单板计算机上。</li>
	<li>将补充数据2中提供的脚本“Code/arduino_p_ctr.ino”上传至控制箱内嵌的六个微控制器中。</li>
</ol>
9. 搭建带有嵌入式测量系统的测试平台
<ol>
	<li>从补充数据1“CAD/TestBench/”中下载相机支架对应的*.dxf图纸，并使用激光切割机进行切割。</li>
	<li>从补充数据1“CAD/TestBench”中下载夹具对应的*.stl文件，并使用3D打印机进行打印。</li>
	<li>根据补充图15，将相机支架与夹具组装在DIN-A1海报板上，并将相机和单板计算机安装至指定位置。</li>
	<li>根据补充文件1第4–5节配置单板计算机的以太网接口和SSH设置，并将完整的“Code”文件夹（补充数据2）上传至该单板计算机。</li>
</ol>
10. 设置整个系统
<ol>
	<li>创建一个局域网络，并从脚本 &#34;Code/main.py&#34; 中为所有单板计算机以及用于监控的计算机分配正确的 IP 地址——或者相应地重写该脚本。</li>
	<li>如补充图16所示，将针脚插入躯干两端，使机器人仅通过针脚和足部（吸盘）与行走平面接触。</li>
	<li>在A4纸（DIN-A4）上打印补充文件2中提供的视觉标记15，并用剪刀将其剪下。</li>
	<li>根据补充图17，使用针脚将标记固定在机器人上。</li>
	<li>将机器人连接至控制箱。 
	注意：图1展示了整个系统的接线示意图。</li>
</ol>
11. 运行控制箱
<ol>
	<li>打开控制箱的主电源开关，并等待所有设备启动完成。</li>
	<li>通过 SSH 以“root”身份登录主单板计算机，进入“Code”文件夹，并使用命令“root@beaglebone:~# python3 main.py”启动控制箱。同时，在个人计算机上使用命令“user@pc:~ python2 monitor.py”启动监控程序。 
	注意：两个程序必须大致同时启动。“main.py”程序在控制箱内的单板计算机上运行时，会尝试连接用于监控的个人计算机。如果个人计算机上没有处于监听状态的端口（由“monitor.py”脚本触发），则监控程序将无法启动。除“monitor.py”外，本实验方案中使用的所有程序/脚本均设计为使用 python3 运行。</li>
	<li>将气压源连接至控制箱（最大压力 1.2 bar）。</li>
	<li>将真空源连接至控制箱。</li>
</ol>
12. 校准机器人
<ol>
	<li>将机器人放置在测试台的行走平面上。对于较陡的斜坡，需在机器人前端与行走平面顶部之间系一根绳子，以固定机器人位置。</li>
	<li>在控制箱上按下“模式2”按钮，启动“模式参考”模式，如补充图18所示。</li>
	<li>使用上下按钮滚动浏览液晶屏上显示的菜单，直到找到“clb”选项，然后按下确认按钮。</li>
	<li>继续滚动下一菜单，直至找到“mode_4.csv”条目，然后按下&#34;确认&#34;按钮。</li>
	<li>在监视器上按下“记录”按钮，如补充图19所示。 
	注意：按下“记录”按钮后，系统将自动在监控计算机的指定路径“Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”下创建一个 *.csv 文件，该文件存储于“current_exp”文件夹中（示例测量数据见补充数据3）。</li>
	<li>在控制箱上按下“功能1”按钮，以启动校准程序。</li>
	<li>校准完成后，在监视器上按下“记录”按钮停止数据记录，并在控制箱上按下“功能1”按钮关闭压力控制器。</li>
	<li>重命名自动生成的“current_exp/*.csv”文件，以便后续能够唯一识别。</li>
	<li>运行补充数据4中提供的脚本“Calibration/eval_clb.py”，并将输出结果（多项式拟合系数）作为关键字为“[机器人版本]”的条目，保存至文件“Code/Src/Controller/calibration.py”中的现有字典内。</li>
</ol>
13. 创建步态模式
<ol>
	<li>运行脚本“Code/Patterns/create_pattern.py”，并将输出的 *.csv 文件存储到文件夹“Code/Patterns/[robot version]/”中。 
	注意：该脚本将直行步态预定义的运动模式8（参见补充图20A或补充动画1）从角度参考值转换为机器人专用的压力参考值。若要生成适用于陡坡行走的步态模式，可通过取消注释第222行来修改脚本，从而根据补充图20B或补充动画2生成相应的模式。控制箱提供的模式参考接口由 *.csv 文件组成，其中每一行定义了所有执行器的一个离散设定点。其中前八列定义参考压力，接下来的四列定义直动阀的参考值，最后一列定义该设定点应保持的时间。</li>
	<li>将控制箱中的单板计算机与个人计算机同步，即将“Code/Pattern/*”文件夹上传至单板计算机。为此，需先中断程序“main.py”的运行（按 Ctrl+C）。</li>
</ol>
14. 进行攀爬实验
<ol>
	<li>对每个待测试的倾角执行步骤 11–13。</li>
	<li>将机器人放置在行走平面的标记位置。</li>
	<li>选择模式参考文件，方法如步骤 12.2–12.4 所述，但在第一个菜单中选择所需的“机器人版本”（而非“clb”），在第二个菜单中根据当前倾角选择相应的模式参考文件（而非“mode_4.csv”）。</li>
	<li>按照步骤 12.5 所述开始记录。</li>
	<li>按下“function 1”按钮以激活压力控制器。</li>
	<li>让机器人行走或攀爬至少 6 个周期。</li>
	<li>通过按下显示器上的“record”按钮停止记录（如同步骤 12.7 所示）。</li>
	<li>确保执行下一步时机器人不会跌落。</li>
	<li>再次按下“function 1”按钮以关闭压力控制器。这将同时切断真空供应，从而使机器人落下。</li>
	<li>将记录的 *.csv 文件移至“ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/”文件夹中。 
	注意：为确保下一步分析具有可靠基础，每组实验至少重复五次。</li>
</ol>
15. 评估实验
<ol>
	<li>运行 补充数据5 中提供的脚本“ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py”，以自动对所有测量数据进行平均。 
	注意：该脚本将输出所有足部的运动轨迹、随时间变化的施加压力、所有肢体随时间变化的测量弯曲角度、机器人随时间变化的速度、机器人随时间变化的朝向、不同倾斜角度下的平均速度（参见 图2A），以及随倾斜角度变化的能量消耗估算值（参见 图2B）。</li>
</ol>

<ol><li>Majidi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+robotics%3A+a+perspective-current+trends+and+prospects+for+the+future%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Robotics%22%5BJournal%5D)">Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future.</a> Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).</li>
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 <a target="_blank" href="https://softroboticstoolkit.com">https://softroboticstoolkit.com</a> (2020).</li>
<li>PneumaticBox [software]. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/">https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/</a> (2020).</li>
<li>Wang, J., Olson, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Apriltag+2%3A+efficient+and+robust+fiducial+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+IEEE%2FRSJ+International+Conference+on+Intelligent+Robots+and+Systems+%28IROS%29%22%5BJournal%5D)">Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection.</a> Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , Daejeon, South Korea. 4193-4198 (2016).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

本方案涵盖了与参考文献9中提出的攀爬软体机器人相关的多个不同方面，包括制造、控制、校准以及性能评估。下文将针对上述各个方面，系统性地讨论该方案所带来的优缺点。
所展示的制造方法在很大程度上基于现有文献10,13。一个显著的不同之处在于驱动器的设计。为了连接各个肢体，在适当位置插入了燕尾导轨，如补充图21所示。与先前机器人设计&#160;相比，这种设计使得肢体之间的连接更加精确且坚固&#160;8。此外，供气管路被嵌入驱动器的底部结构中。这种集成化设计不仅可为吸盘提供真空，同时使底层不再具有延展性，从而显著提升了驱动器的性能。与文献中描述的工艺另一不同之处在于，混合后的弹性体仅进行一次抽真空处理（即混合后立即进行）。许多文献建议对弹性体进行两次抽真空：一次在混合后，另一次在注入模具后。在极小的空间中可能残留空气，在真空腔内这些空气会膨胀，并在理想情况下上升至表面；然而，这些气泡常常在上升过程中被卡住，从而在最终铸件中形成令人困扰的孔洞。此时必须权衡：是优先保证基底部分底面的完美轮廓，还是尽可能降低制造出无法正常工作的驱动器的风险&#160;（参见&#160;补充图2）。在本方案中，不进行第二次抽真空。在所介绍的工艺中，由于底部部分为手动填充，其高度可能存在变化，且与基底部分不同，固化后无法再将其切割至统一高度。为确保底部部分的高度尽可能均匀，建议在填充其模具时使用注射器，并测量注入的体积。然而，弹性体的流动性能会随着混合后时间的延长而发生显著变化，因此建议始终使用 freshly mixed（新近混合）的弹性体。驱动器基底部分与底部部分的粘接是整个工艺中不确定性最大的步骤。若弹性体液面过高，腔室之间的气道很可能也被覆盖，导致驱动器无法使用；若液面过低，则密封唇可能无法在整个圆周上被完全覆盖，从而导致驱动器漏气。因此，正确控制弹性体液面高度需要一定的实践经验。粘接过程中的一个关键要求是粘接表面必须无油脂污染。若粘接面污染过重，成品驱动器可能发生分层。因此，必须确保仅在不参与粘接的表面上接触部件。该制造方法的一个主要局限在于可实现的生产数量。单个驱动器的生产总共至少需要两个小时。尽管可以同时使用多个模具并行操作，但由于时间限制，不建议使用超过四个模具。弹性体的适用期过短，无法支持填充更多模具。此外，3D打印模具在经历一定生产周期（约10–20次）后会严重变形或破裂，耐久性有限。另一个局限是前述的工艺不确定性。由于几乎所有工艺步骤均为手动完成，每个驱动器都会略有差异。这可能导致两个结构完全相同的机器人表现出截然不同的行为。
通过控制箱，提供了一种控制机器人的方法。然而，对于每个气动系统，脚本 &#34;Code/arduino_p_ctr.ino&#34; 的控制增益必须 individually 确定。本实验方案未涵盖此项内容。但是，控制箱的 &#34;pressure reference mode&#34; 模式允许以更灵活的方式操作机器人，从而无需编写多个脚本即可进行控制器调参。控制箱的另一局限性在于其成本&#160;，材料总费用约为 7000 美元。文献11 提供了一种成本仅约 900 美元的控制箱制作指南，经过适当升级后也可用于操作该机器人。
对各个执行器的校准而言，校准程序的选择至关重要。补充图22展示了四种不同校准程序下压力参考值随时间变化的定性趋势，补充图23展示了相应的角度-压力曲线。从后者可以看出，每种校准方法都会产生不同的角度-压力曲线。这表明压力与角度之间的关系高度依赖于作用在执行器上的负载。因此，校准程序应尽可能真实地反映实际负载情况。相应地，必须尽可能使校准程序与实际工作条件相匹配。采用校准程序4可获得最佳的行走性能。然而，如图3B所示，序列中的后续姿态并非完全对称，这表明校准仍有改进空间。
测量系统的关键在于第10节中视觉标记的组装15。由于无法在理想位置直接安装这些标记（因为管道会干扰），必须人为偏移测量点。在确定该偏移矢量（以相机的像素坐标表示）时需格外小心；否则，整个测量将产生显著的系统误差。还必须确保标记不会随时间发生位移。如果出现位移情况，&#160;例如由于机器人跌倒所致，则必须将相应的标记重新安装到完全相同的位置。无论如何，都应定期检查测量系统是否仍能产生可靠的输出结果。
实验中的限制因素是足部的固定。为了能够攀爬更陡的坡度，必须重新考虑固定机制。&#160;目前，机器人无法主动将足部推向行走平面，而在较大倾角情况下，重力产生的法向力过小，无法使吸盘足够贴近行走平面，从而无法保证可靠的吸附效果。
所介绍的制造方法可推广至任何流体弹性体驱动器，因此可能对未来应用具有重要意义。所展示的控制箱能够控制由六个独立驱动器组成（可扩展至八个）的任何气动系统，包括需要快速感觉反馈的机器人平台。因此，该控制箱可用作测试和控制未来机器人的通用平台。最后，所介绍的校准方法可以被&#160;原则上，适用于任何前馈控制的气动系统。总之，所有提出的方法在其讨论范围内均具有普适性。

人类与机器之间的交互正变得日益紧密。企业与家庭中机器人密度的不断增加，为机器人技术带来了新的挑战。通常，人们通过隔离手段来排除危险，但在许多领域，尤其是在家庭环境中，这种方法并非令人满意的解决方案。软体机器人技术通过利用软质材料和结构的特性，开发出行为类似生物体的新类型机器，从而应对这一问题1，因此软体机器人常受到生物模型的启发2。大多数软体机器人可分为两种不同类型：移动机器人以及用于抓取和操作的机器人3。对于软体移动机器人而言，典型的运动方式包括爬行、行走、奔跑、跳跃、飞行和游泳4。软体机器人的另一个有趣应用领域是攀爬——即运动与粘附的结合5。软体机器人体质柔韧，因其柔软性而不会对其周围环境造成损伤。这一特性使该类机器人特别适合攀爬任务，因为它们能够轻易承受跌落。因此，文献中已报道了多种具备攀爬能力的软体机器人实例6,7,8。
本实验方案的目标是提供一种用于制造、控制和评估仿壁虎攀爬软体机器人性能的方法9。该机器人设计基于采用由弹性体制成的快速气动网络（pneunet）软体弯曲驱动器10，但也可使用其他类型的软体驱动器设计和/或材料。现有文献提供了多种不同的软体驱动器设计方案11以及合适的材料选择12。本文所介绍的制造方法与已有方法相似13，但包含若干改进，至少在该软体攀爬机器人9的应用中表现出更高的可重复性和鲁棒性。该方法总体上适用于快速气动网络弯曲驱动器，因此对于刚进入驱动器制造领域的研究者可能具有参考价值。
在控制气动驱动的软体机器人方面，现有文献提出了多种解决方案。这些方案从低成本且易于复制的控制板13，到功能强大但结构更复杂的控制板14不等，后者若无特殊工具则无法重新构建。本文简要介绍仅使用激光切割机和电烙铁即可搭建气动控制箱的方法。该控制箱可提供任意压力，并具备实时传感反馈功能，这在机器人应用中尤为重要，但也可广泛用于其他多种场景。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机</td><td>Formlabs</td><td>Form 2</td><td></td></tr><tr><td>带两个孔的亚克力玻璃板</td><td>-</td><td></td><td>用于浇铸，参见补充材料</td></tr><tr><td>亚克力玻璃后板</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>亚克力玻璃底板</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>亚克力玻璃前面板</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>亚克力玻璃侧板</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>亚克力玻璃顶板</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>Arduino Nano</td><td>Arduino</td><td>A000005</td><td></td></tr><tr><td>1 mm 内六角扳手</td><td></td><td></td><td>每个车间均可提供</td></tr><tr><td>BeagleBone Black</td><td>beagleboard</td><td>BBB01-SC-505</td><td></td></tr><tr><td>蝶形针头</td><td>B. Braun Melsungen AG</td><td>5039573</td><td></td></tr><tr><td>测量系统用夹具 1</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>测量系统用夹具 2</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>美工刀</td><td></td><td></td><td>每个车间均可提供</td></tr><tr><td>直动式电磁阀</td><td>Norgren</td><td>EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4</td><td></td></tr><tr><td>弹性体</td><td>Wacker Chemie</td><td>ELASTOSIL M4601</td><td></td></tr><tr><td>测量系统框架部件 1</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>测量系统框架部件 2</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>激光切割机</td><td>Trotec</td><td>SP500</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>RND COMPONENTS</td><td>RND 210-00013</td><td></td></tr><tr><td>LCD</td><td>JOY-IT</td><td>SBC-LCD16X2</td><td></td></tr><tr><td>模具底座腿部部件</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具底座躯干部件 1</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具底座躯干部件 2</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具腿部 1</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具腿部 2</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具躯干 1</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>模具躯干 2</td><td>-</td><td></td><td>参见补充材料</td></tr><tr><td>烘箱</td><td>Binder</td><td>ED 115</td><td></td></tr><tr><td>塑料杯</td><td></td><td></td><td>每家超市均可购买</td></tr><tr><td>塑料注射器</td><td></td><td></td><td>每家药店均可购买</td></tr><tr><td>海报板</td><td>Net-xpress.de（经销商）</td><td>10620232</td><td>作为行走平面</td></tr><tr><td>电位计</td><td>VISHAY</td><td>P16NM103MAB15</td><td></td></tr><tr><td>电源</td><td>Pulse Dimension</td><td>CPS20.241-C1</td><td></td></tr><tr><td>压力传感器</td><td>Honeywell</td><td>SSCDANN150PG2A5</td><td></td></tr><tr><td>压力源</td><td>EINHELL</td><td>4020600</td><td></td></tr><tr><td>比例阀</td><td>Festo</td><td>MPYE-5-1/8-LF-010-B</td><td>6 个</td></tr><tr><td>Raspberry Pi</td><td>RASPBERRY PI</td><td>RASPBERRY PI 3B+</td><td></td></tr><tr><td>Raspberry Pi 摄像头</td><td>RASPBERRY PI</td><td>RASPBERRY PI CAMERA V2.1</td><td></td></tr><tr><td>树脂</td><td>formlabs</td><td>灰色树脂 1 L</td><td></td></tr><tr><td>螺丝夹具</td><td>VELLEMAN</td><td>3935-12</td><td></td></tr><tr><td>2 mm 硅胶管</td><td>Festo</td><td>PUN-H-2X0,4-NT</td><td>用于连接机器人与控制箱</td></tr><tr><td>2.5 mm 硅胶管</td><td>Schlauch24</td><td>n/a</td><td>用于供液管入口（https://www.ebay.de/itm/281761715815）</td></tr><tr><td>开关</td><td>MIYAMA</td><td>MS 165</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>RND LAB</td><td>605-00034</td><td></td></tr><tr><td>紫外光固化箱</td><td>formlabs</td><td>Form Cure</td><td></td></tr><tr><td>真空室 + 真空泵</td><td>COPALTEC</td><td>PURE PERFEKTION</td><td></td></tr><tr><td>电子天平</td><td>KERN-SOHN</td><td>PCB 2500-2</td><td>最小分辨率 1 g</td></tr></tbody></table>

仿壁虎软体机器人的制造、控制与性能评估

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

本方案介绍了一种用于制造、控制和评估软体机器人性能的方法，该机器人能够攀爬坡度高达84°的倾斜平面。该制造方法普遍适用于快速气动网络弯曲执行器，因此对于刚进入执行器制造领域的研究人员可能具有参考价值。机器人的控制通过一个气动控制箱实现，该控制箱可提供任意压力，且仅需使用市售组件、激光切割机和电烙铁即可搭建。机器人的行走性能在很大程度上依赖于压力-角度校准，因此本文提出了一种半自动化的压力-角度校准方法。在高坡度（&#62; 70°）条件下，机器人无法再可靠地固定于行走平面，因此需调整步态模式，以确保足部能够在行走平面上稳固附着。

本方案将实现以下三个成果：一种柔性攀爬机器人、一个具有通用性的控制箱，以及一种可提高机器人攀爬能力并同时降低能耗的直线运动控制策略。第8节中描述的控制箱能够持续为最多六个通道（可扩展至八个）提供任意设定的压力水平，并额外为四个通道提供真空（可根据需要扩展）。 “用户界面单元”使用户能够在运行时轻松操作控制箱，且通过与显示器的接口可直接查看测量数据，并将其保存为csv文件。控制箱的模式参考功能为用户提供了一个直观的界面，用于循环执行预设模式。此功能可用于本方案中的机器人步态模式，也可用于执行器疲劳测试，或任何需要循环加载的其他应用。图1展示了控制箱和测量系统中所有硬件组件的组装方式及其连接关系。
机器人直线运动的步态模式以角度参考形式表示8为了操作机器人，必须将这些角度参考值转换为压力参考值。本方案中采用的控制策略基于预先进行的角度-压力校准。每种校准方法都会产生不同的角度-压力曲线。因此，必须尽可能使校准过程适应实际工作条件。当改变行走平面的倾斜角度时，工作条件也随之改变。因此，每种倾斜角度下都必须重新校准角度-压力曲线。 图2A 展示了机器人在不同坡度下、使用未调整校准和重新校准的角度-压力曲线时的速度表现。实验结果明确表明了重新校准的有效性。经过重新校准的机器人不仅速度显著提高，还能够攀爬更陡的斜坡（84° 而不是 76°) 同时消耗更少的能量9 如图所示 图2B。在 图3，展示了一组机器人在特定倾斜角度下运动的系列照片 48°. 该图清晰地表明，重新校准后的攀爬性能如图所示 图3B 比使用未改变的校准所示结果要好得多 图3A 由于在同一时间间隔内位置变化几乎大了一倍。与其他软体机器人相比，该机器人能够移动得非常快。Qin 等7 总结各类软体机器人的前进速度。在无负载且处于水平平面的条件下，本方案中所述机器人相对于体长的前进速度是参考文献中最快机器人的五倍。7.
<img alt="机器人控制系统示意图，包含真空、压缩空气及视频流处理。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61422/61422fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：控制箱中组装的硬件组件示意图。 其中 <img alt="静力平衡方程，ΣFx=0，ΣFy=0，受力矢量图与平衡原理示意图。" src="/files/ftp_upload/61422/61422eq1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 表示压力参考值 i-第th通道， ui 控制信号的 i-比例阀， <img alt="静力平衡；ΣFx=0；ΣFy=0；力矢量分析；力学示意图；物理教学概念" src="/files/ftp_upload/61422/61422eq2v3.jpg" style="font-size: 14px;" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> 包含角参考的向量， α 包含角度测量值的向量， x 包含位置测量数据的向量，以及 ƒ 包含控制直动式电磁阀信号的向量，即足部固定状态。UI 是“用户界面单元”的缩写，BBB 是 BeagleBone Black 的缩写，即控制箱中使用的单板计算机，RPi 是 Raspberry Pi 的缩写，即测量系统中使用的单板计算机。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示静力平衡分析、Δx/Δt 和 ΔE/Δx 与倾角 δ（度）关系的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61422/61422fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：爬行性能评估。 虚线表示恒定压力参考值的结果，实线表示重新校准压力参考值的结果。（A）机器人在不同倾角下的前进速度。（B）机器人在不同倾角下的能量消耗。本图改编自参考文献9。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="机器人运动分析示意图，包含棋盘格，显示连续图像中的位移 Δx。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61422/61422fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3：机器人在 48° 倾角下运动的一系列照片。 每张照片之间的时间间隔为 1.2 s。（A）基于恒定压力参考的运动；（B）基于重新校准压力参考的运动。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充图1：弹性体的制备。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig01.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图2：浇铸前后抽真空过程中气泡形成的比较。（A）仅在浇铸前进行弹性体抽真空。滞留的气泡保持原位，但更多集中在凸起区域，对执行器功能影响不大。（B）在浇铸前和浇铸后均进行抽真空。滞留的气泡上浮，但再次卡在支柱的上侧，导致执行器内部形成孔洞，可能影响其功能。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig02.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图3：成功与失败的固化浇铸示例。 上排显示成功示例，下排显示失败示例。若缺陷不明显，则以绿色圆圈标出。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig03.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图4：基底部件的制造。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig04.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图5：底部部件的制造示意图。 在浇铸前，将一根管子（后续用作吸盘的供气管）夹持在模具中。然后，向模具中注入液态弹性体。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig05.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图6：底座与底部部件的连接。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig06.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图7：软体弯曲驱动器的层压浇铸。 液态弹性体以红色表示，固化后的弹性体为浅红色，应变限制层以及模具为黑色。（A）将混合好的弹性体分别倒入两个独立的模具中——一个用于基部部件，另一个用于底部部件。其中，底部部件的模具仅填充一半。随后将一层应变限制层（供料管）插入底部部件模具中。（B）部件固化后，将基部部件脱模。（C）用液态弹性体将底部部件模具完全填满至顶部。（D）将基部部件浸入该模具中。（E）两个部件共同固化。（F）将驱动器脱模。本图基于参考文献13。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig07.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图8：所有肢体的连接。（A）用液态弹性体覆盖待连接的表面。（B）完整组装后的渲染视图。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig08.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图9：安装供液管入口。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig09.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图10：控制箱的照片。（A）用户界面单元的正面视图，用于使用户与机器人进行交互。（B）阀门单元的细节视图。（C）整个控制箱的顶部视图。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig10.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图11：用户界面单元的电路图。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig11.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图12：阀单元的电路图。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig12.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图13：整个控制箱的简化电路图。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig13.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图14：控制盒中嵌入的单板计算机所用引脚示意图。（A）用于用户通信的板载引脚。（B）用于机器人控制的板载引脚。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig14.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图15：安装测量系统后的行走平面渲染视图。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig15.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图16：抬升效应的可视化。 将头部直径为6 mm的针插入躯干两端，以减少行走过程中的摩擦，并使吸盘与行走平面完全接触。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig16.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图 17：视觉标记点的组装。 使用大头针将标记点固定在机器人上。标记点 0 固定在左前足，标记点 1 固定在躯干前部，标记点 2 固定在右前足，标记点 3 固定在左后足，标记点 4 固定在躯干后部，标记点 5 固定在右后足。在组装标记点 4 时，使用了三根大头针。本图改编自文献9。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig17.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图18：控制箱按钮图例。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig18.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图19：图形用户界面按钮图例。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig19.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图20：机器人直线运动的步态模式。 实心圆表示固定的足，空心圆表示未固定的足。（A）低至中等倾角（&lt; 70°）下的步态模式。（B）高倾角（&gt; 70°）下的步态模式。红色和黑色实心足施加真空。黑色实心足固定在地面上，而红色足不一定需要固定。为确保固定牢固，需将待固定的足前后摆动一次。本图改编自文献9。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig20.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图21：软体攀爬机器人爆炸示意图。 榫结构位于腿部，相应的键槽位于躯干两端，使连接过程更加精确。本图改编自参考文献9。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig21.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图22：确定压力-角度曲线的不同校准程序。 每个子图展示了压力变化的定性趋势以及相应机器人姿态的快照。(A) 每个执行器从0 bar开始持续充气至1 bar，同时其余执行器保持无压力状态。(B) 对单个执行器施加持续3秒的压力平台期；随后完全排气2秒。在下一轮中，压力平台期的水平按增量逐步提高，直至达到1 bar。该过程对每个执行器单独进行。(C) 与模式2相同的操作流程，但在此模式中，同时对执行器(0,3,4)以及执行器(1,2,5)分别施加相同的压力平台期。(D) 与模式3相同的操作流程，但执行器(0,3)的压力平台期从0 bar开始（与之前相同），结束于1.2 bar（而非1 bar）。本质上，执行器(0,3)的压力增量略有增加，而其他执行器的增量保持不变。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig22.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充图23：不同校准程序的角度-压力曲线。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/61422supfig23.jpg" target="_blank">请点击此处下载该图。</a>
补充动画 1：机器人直线步态的动画演示。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/Supplementary_file_01.gif" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充动画 2：机器人攀爬步态的动画演示。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/Supplementary_file_02.gif" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 1：单板计算机配置说明。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/SupplementaryFile_01.pdf" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 2：视觉标记的打印模板。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/SupplementaryFile_02.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充数据 1：CAD 文件。 此压缩文件夹包含用于打印模具的 *.stl 文件、用于激光切割控制箱外壳的 *.dxf 文件、用于打印测量系统所用夹具的 *.stl 文件，以及用于激光切割测量系统框架的 *.dxf 文件。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/CAD.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充数据 2：在单板计算机上运行的代码。 此压缩文件夹包含在“用户界面单元”所用单板、机器人控制所用单板以及图像处理所用单板上运行的程序及其源代码。请将整个文件夹上传至全部三块单板。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/Code.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充数据 3：典型测量数据。 该压缩文件夹包含校准过程中生成的两个 *.csv 文件。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/current_exp.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充数据 4：校准脚本。 该压缩文件夹包含用于评估校准过程中生成的测量数据的 Python 脚本及其源代码。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/Calibration.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充数据 5：评估脚本。 该压缩文件夹包含两个用于评估攀爬实验期间生成的测量数据的 Python 脚本及其源代码。此外，其中还包含用于生成图 2的所有测量数据。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61422/ExpEvaluation.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

本方案提供了制造、控制和评估仿壁虎软体机器人攀爬性能所需执行步骤的详细列表。

本方案介绍了一种用于制造、控制及评估可在倾斜平面上攀爬的软体机器人性能的方法……

该技术采用软体机器人工具包制造出受壁虎启发的软体机器人，可通过通用气动控制箱进行操控。使用软体攀爬机器人可实现多种应用，这些应用对机器设备提出了较高要求，例如太阳能反射镜或摩天大楼外墙的清洁。基本上，任何其他软体机器人均可通过此方法制造，并可在任何气动系统中通过控制器箱进行操作。执行器的制造主要依靠手工完成，需要一定的练习，不要期望第一次尝试就能完美成功。制备弹性体时，将五克弹性体B组分和45克A组分按每台驱动器的用量加入置于天平上的杯子中。搅拌杯内物质，直至杯壁边缘无可见的白色或红色区域。然后将杯子放入真空室中抽真空15分钟，以去除搅拌过程中混入弹性体中的空气。将压铸弹性体装入一个50毫升的注射器中。将基底部件的制造过程中，首先用带有两个对应孔的夹具将丙烯酸玻璃板固定在模具上，并将注射器插入下方的孔中。按下活塞，将弹性体注入腿部或躯干模具中。当化合物从上方孔洞露出时，松开螺丝夹具，将亚克力玻璃板从模具上横向抽出。使用锋利工具刺破任何上浮的气泡，然后添加额外的弹性体。再次刺破产生的气泡，并将模具放入65摄氏度的烘箱中。30分钟后从烘箱中取出模具，使用切割刀去除挤出的弹性体。将杠杆插入模具片之间，以打开模具而不损坏成型表面，并从模具中取出近乎完整的执行器部件。如果浇铸成功，使用切割刀去除任何突出的条带。制作吸盘和躯干底部部件时，遵循相同的步骤，但无需使用额外的丙烯酸玻璃板。制作腿部下部时，将硅胶管穿过模具底部的孔洞，并用弹性体填充模具。然后使用小刮刀将弹性体分散至模具的各个角落，并将模具放入烘箱中固化15至20分钟。当铸件底部冷却后，在底部模具中倒入新鲜的弹性体，使其液面高出已固化的弹性体1至1.5毫米，并将蝶形针插入基底铸件中。标记穿刺部位以便后续识别，然后将上基座放入底部模具中，并轻轻按压两侧使其浸入弹性体液体中。在烤箱中放置10至15分钟后，从模具中取出驱动器，并利用穿刺部位将装置连接至压力源，以进行最终的泄漏测试。制造躯干时，将弹性体填充到底部部件中，并将基座部件放入底部部件内。准备肢体连接面时，用弹性体覆盖连接面，并使用大头针将待连接的部件固定在木板上。固化后，将带有连接针的吸盘与躯干上的腿部相连，确保所有部件处于同一平面，然后继续组装10至15分钟。使用1毫米的内六角扳手扩大插入点，将直径不超过3毫米的硅胶管末端套在插入孔上。用扳手将管子压入孔中，并用少量弹性体密封入口。然后将组装件放入烘箱中再固化10分钟。搭建整个系统时，将供气管连接至所有驱动器的入口。将嵌入腿部的供气管与吸盘连接，并使用针头将标记物固定在机器人上。将机器人连接至控制箱，并将最大压力为1.2 bar的气压源和真空源连接至控制箱。进行攀爬实验时，将机器人放置于行走平面的起始位置并开始记录。按下功能一以启动压力控制器，使机器人行走并攀爬至少六个周期。按下录制按钮以停止录制，并确保在停止压力控制器时机器人不会跌倒。然后按功能一以停止压力控制器。必须尽可能使校准程序接近实际运行条件。改变行走平面的倾角时，运行条件也会随之变化。因此，必须针对每个倾角重新校准压力角度曲线。在此分析中完成重新校准后，机器人不仅速度更快，而且在能耗更低的情况下能够攀爬更陡的斜坡。在这些图像中，展示了机器人在 48 度倾角下的运动情况。如图所示，在重新校准后，机器人攀爬性能显著提升，因为在相同时间间隔内位置的移动距离几乎增大了一倍。正如我们在吸盘中所观察到的，这种制造方法可以生产出多种复杂的形状。即使是带有倒扣结构的部件也要连接。在组装各个部件时，确保它们位于同一平面内至关重要，否则机器人的攀爬能力将显著下降。该机器人是研究新型运动策略的一个有趣平台。例如，该机器人可以通过多种截然不同的方式运行曲线。

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