2019年5月/ 6月期刊俱乐部:使用不稳定性控制软体机器人

2019年5月期刊俱乐部:使用不稳定性控制软体机器人科罗拉多州博尔德大学Philipp Rothemund教授

1.介绍近年来，软流体机器人越来越受欢迎，因为它们可以执行硬机器人难以完成的功能。它们内在的顺应性使它们能够自动适应不规则形状，并通过限制驱动器施加的力来处理微妙的物体[1,2]。此外，它们可以用诸如成型[1]和3d打印[3]等广泛应用的技术以低成本制造。尽管由于所用材料[2]的非线性和粘弹性，软执行器的精确控制是复杂的，但许多应用只需要在两个不同的压力设定点之间操作，这可以通过简单的开关控制来实现。这种控制通常是用硬阀门来完成的，这要么需要拴住软机器人，要么当阀门集成到机器人中时牺牲完全的柔软性[2,4]。微流体电路(开关、振荡器、逻辑电路)有许多设计[5,6]。它们可以被制成完全柔软的，它们已经被演示为一个软机器人[7]的控制器。然而，微流控电路的规模限制了可控机器人的尺寸，并且微流控电路的设计比较复杂。在这里，我讨论了一种新的方法，将控制集成到软执行器的结构。弹性体可以反复经历不稳定而不失效。 These instabilities lead to discrete states with well-defined conditions for the transition, which can be coupled to the deformation and pressure in soft robots and therefore be used for control. We developed a soft valve that combines two instabilities to enable simple on-off control, oscillations and other autonomous functions, and complex digital logic circuits [8,9].

2.软的双稳态阀门软阀[8]由一个中空的弹性体气缸组成(图1A)。半球形膜将圆柱体分成两个腔体。两个腔室之间的压力差使膜向上或向下变形(图1A)。当膜通过阀门中心(图1B中的开关点)时，膜表现出一种快速的卡扣不稳定性，导致快速的卡扣运动。弹性管穿过每个腔室。在轴向压缩下，管道表现出扭结不稳定，阻碍空气流动。当膜向下弯曲时，它会使管通过底部腔室扭结，并允许空气流过顶部管(图1A,C)。当它向上弯曲时，情况正好相反。空气流经底部的管子，但不能流经顶部的管子。当这两种不稳定性协调，使得在膜的夹持运动中管道扭结或打开时，阀门的输出只有两种状态，其中一种管道是打开的，另一种管道是关闭的(图1C，视频1）.由于快速穿越不稳定性的迟滞性，两种状态之间的过渡也是迟滞的(图1B, C)。

图1:软的双稳态阀。(A)阀门的结构。(B)压力-体积曲线呈快速不稳定。(C)管的输出作为跨膜压差的函数。图改编自[8]。

3.软开关图2A显示了软阀作为两个不同压力[8]之间的开关的配置。底部管与恒压气源相连，顶部管与大气相连。通过阀门后，两个管连接到一个输出。顶部的燃烧室与大气相连。阀门的状态是由底腔的压力控制的。当这个压力超过膜的前扣压力时，它向上扣，并将阀门的输出连接到恒压源(图2A,B)。当底腔压力低于回扣压力时，膜回扣，阀门的输出连接到大气(图2a,B)。阀门开关的压力可以通过设计阀门[8]的材料和几何形状来控制。由于膜比管大，它甚至可以控制比膜的前扣压力更大的压力(图2B)。这一功能是微流体阀难以实现的。 Because the output of the switch is binary and hysteresic, the switch can also filter noise in the control signal as long as the noise is small enough not to trigger the instability (Figure 2C). This function is comparable to that of a Schmitt-trigger in digital signal processing.

图2:软阀作为开关。(一)开关结构。(B)充当开关的阀门。当底室没有压力时，输出连接到大气。当控制压力(P+)大于膜的快速前进压力施加到底室时，输出(P)切换到空气供应(Ps)。(C)阀门可以过滤控制信号中的噪声。图改编自[8]。

4.软振荡器在软阀的输出连接到底腔的反馈回路中，它可以使用恒压源的空气激发封闭体积(例如，软机器人)的压力振荡(图3A)[8]。顶部管连接到高压气源，底部管连接到大气。当阀门的输出压力低于膜的前扣压力时，空气从压力源流向体积，增加其压力。当输出压力达到膜的正向卡扣压力时，膜卡扣并将封闭容积与大气连接。直到输出压力下降到低于反弹压力，膜反弹回原来的位置。这一过程导致了在咬断临界压力之间的周期性压力振荡(图3B，视频2)，可用于控制软体机器人的周期性运动。振荡的速度受供应压力、管道的流动阻力和振荡器连接的封闭体积的大小[8]的影响。由于振荡器是软的，它在被坚硬物体压碎后仍能继续工作(视频3）.

图3:软阀作为振荡器。(A)振荡器的结构。输出连接到底部腔室，以创建流体反馈电路，从而激发压力振荡。(B)由阀门控制的压力振荡实例。图改编自[8]。

5.通过软阀实现简单的自主功能图4显示了三个例子，其中软阀门实现了软体机器人的自主控制。我们将阀门集成到一个软夹持器的中心，使夹持器在接触物体时自动关闭(图4A)[8]。底腔连接到一个恒压气源，该气源高于膜的前扣压力(图4A)。由于在夹持器的“手掌”上有一个开口，空气可以通过这个开口进入，所以底部腔室的压力没有达到前扣压力。当物体接触手掌并关闭开口时，底部腔室的压力增加，膜向上断裂，夹持器关闭以抓取物体(视频4）.我们还将软振荡器集成到软行走器中(图4B)[8]。利用恒压源的空气，步行者向前移动，周期性地膨胀和收缩(视频5）.软阀也可用作控制器，对环境压力[9]的变化作出反应。图4C显示了一个软体机器人，它在水箱的两个深度之间振荡。最初，机器人连接到大气压力，使其下沉到一个临界深度，在这个深度中，水的静水压足够大，可以开关阀门。连接在游泳者身上的气球会膨胀，机器人会上升到一个水平，在这个水平上阀门会重新开关。气球瘪了，游泳者又沉了下去(视频6）.

图4。自主软体机器人。(A)在接触物体时自动关闭的软夹持器。(B)使用恒定压力源的空气前进的软步行器。(C)一个软体机器人，在一个水箱的深度之间自主振荡。(A)和(B)改编自[8]。(C)改编自[9]。

6.软逻辑门该软阀无需修改即可作为逻辑门，实现数字逻辑功能[9]。在这种情况下，高于快速前进压力的压力被解释为“1”，低于快速前进压力的压力被解释为“0”。阀门的功能取决于腔室和管道与外部压力源的连接方式。图5A显示了阀门充当“非”闸板的结构。这种阀的设计使膜在顶部腔室没有压力时向上弯曲。顶部管和底部室连接到大气(“0”)。底管连接一个恒压气源，解释为“1”。当顶部腔室无压力时(输入“0”)，阀门的输出为“1”。当顶腔施加相当于“1”的压力时，输出开关为“0”(即阀门反转输入信号)。我们还演示了一个“或”逻辑门(图5B)和一个“与”逻辑门(这里没有显示)。 This set of logic gates is functionally complete (i.e., any logic circuit can be build from these basic components) and can therefore serve as the basis for complex logic circuits.

图5。软逻辑门。(A)阀门配置成“非”闸板。(B)阀门配置成“或”闸板。该数字改编自[9]。

7.数字软逻辑电路如上所述，软阀可用于软机器人[9]的数字控制。我们实现了串行进/并行出移位寄存器，允许使用单个控制信号和周期信号(时钟)控制多个执行器。图6A显示了一个控制两个并行输出的两位狗屁寄存器。每次时钟切换到状态“1”时，第一输出的当前状态被传输到第二输出，当前应用的输入信号被传输到第一输出。我们实现的另一个电路是一个两比特数模转换器(图6B)。数模转换器将一个两比特的数字输入信号转换成四个不同的输出压力。

图6。数字逻辑电路。2位串行输入/平行输出移位寄存器。(B)数模转换器。图改编自[9]

8.结论这篇博文讨论了弹性体的不稳定性如何控制软体机器人的气流。使用不稳定性进行控制的优点是，它们提供了可以用于开关控制的离散状态。在这里，我们结合了两种不稳定性来设计一个软阀门:膜的穿透不稳定性控制管中的扭结不稳定性，从而调节空气流量。在软材料中还有许多其他的不稳定性可以用来实现这些功能，并且可以直接集成到软执行器中。所示设计的优点是它将控制(跨膜的压力差)与空气流动(通过管道)解耦，从而简化了整个控制系统的设计。单个阀门可以手动控制，但也可以实现多种不同的自主控制功能。此外，通过组合多个软阀，可以实现复杂的数字逻辑功能。这项工作代表着向不需要任何电子或硬组件的自主、全软体机器人迈出了一步。

参考文献

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