2019年5月/ 6月杂志俱乐部:利用不稳定性控制软机器人

2019年5月杂志俱乐部:利用不稳定性控制软机器人菲利普·罗斯蒙德科罗拉多大学博尔德分校

1.介绍近年来，软流体机器人越来越受欢迎，因为它们可以完成硬机器人难以完成的功能。它们固有的顺应性使它们能够自动适应不规则的形状，并通过限制执行器施加的力来处理微妙的物体[1,2]。此外，它们可以以低成本制造与广泛的技术，如成型[1]和3d打印[3]。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很复杂，但许多应用只需要在两个不同的压力设定点之间运行，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来完成的，这要么需要拴住软机器人，要么在将阀集成到机器人中时牺牲完全的柔软度[2,4]。微流控电路有许多设计(开关、振荡器、逻辑电路)[5,6]。它们可以被制成完全柔软的，并且它们已经被证明是一个软机器人[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，且微流控电路设计复杂。本文讨论了一种将软执行器控制集成到其结构中的新方法。弹性体可以反复经历不稳定性而不会失效。 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.柔软的双稳阀软阀[8]由一个中空的弹性圆柱体组成(图1A)。半球形膜将圆柱体分成两个腔室。两个腔室之间的压力差使膜向上或向下变形(图1A)。当膜穿过阀门中心(在图1B中的开关点)时，膜表现出一种咔咔不稳定性，导致快速咔咔运动。弹性管穿过每个腔室。在轴向压缩下，这些管子表现出扭结不稳定性，阻碍了空气流动。当膜向下弯曲时，它使管道通过底部腔室，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。空气可以流过底部的管子，但不能流过顶部的管子。当这两种不稳定性相互协调，使得在膜的断裂运动中管子扭结或打开时，阀门的输出只有两种状态，其中一种管子是打开的，另一种管子是关闭的(图1C)。视频1)。由于穿透不稳定性的迟滞性，两种状态之间的转换也是迟滞的(图1B, C)。

图1:软双稳阀。(一)阀门的结构。(B)压力-体积曲线表现出突发性不稳定性。(C)管的输出作为膜上压差的函数。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，两根管子连接到一个输出端。顶室与大气相连。阀门的状态是由底腔的压力控制的。当这个压力超过膜的正向压力时，它向上向上，并将阀门的输出连接到恒压源(图2A,B)。当底部腔室的压力降至回弹压力以下时，膜回弹，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冲压力更大的压力(图2B)。这种功能很难用微流体阀实现。 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。(A)开关结构。(B)充当开关的阀门。当底部腔室没有压力时，输出端连接到大气中。当控制压力(P+)大于膜的前卡压力施加到底部腔室时，输出(P)切换到供气(Ps)。(C)该阀能过滤控制信号中的噪声。图改编自[8]。

4.软振荡器在反馈回路中，软阀的输出连接到底部腔室，它可以利用来自恒压源的空气激发封闭体积(例如，软机器人)中的压力振荡(图3A)[8]。顶管与高压气源相连，底管与大气相连。当阀门的输出压力低于膜的前伸压力时，空气从压力源流向体积，使其压力增加。当输出压力达到膜的前卡压力时，膜就会打开并将封闭的体积连接到大气中。直到输出压力降低到弹回压力以下，膜弹回到原来的位置。这一过程导致在临界破裂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运动。振荡的速度受供气压力、油管的流阻和振荡器所连接的封闭体积的大小的影响。因为振荡器是软的，所以它在被硬物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。输出端连接到底部腔室，形成一个流体反馈回路，激发压力振荡。(B)由阀门控制的压力振荡示例。图改编自[8]。

5.通过软阀实现简单的自主功能图4显示了三个示例，其中软阀可以实现软机器人的自主控制。我们将阀门集成到一个软夹钳的中心，这样当夹钳碰到物体时就会自动关闭(图4A)[8]。底部腔室连接到一个恒压气源，该气源高于膜的前伸压力(图4A)。由于抓手的“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冲压力。当有物体接触到手掌并关闭开口时，底腔内的压力增大，膜向上啪的一声，抓手闭合抓住物体(视频4)。我们还将软振荡器集成到软步行者(图4B)[8]中。利用来自恒定压力源的空气，行走者向前移动，周期性地扩张和收缩(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显示了一个软机器人，它在水箱的两层深度之间摆动。最初，机器人与大气压力相连，这样它就会下沉到一个临界深度，在这个深度，水的静水压力足够大，可以切换阀门。连接在游泳者身上的气球膨胀，机器人上升到一定高度，阀门就会切换回来。气球瘪了，游泳者又沉下去了。视频6)。

图4。自主软体机器人。(A)与物体接触时自动闭合的软爪。(B)一种利用恒压源产生的空气前进的软式行走器。(C)在水箱中自主地在两层深度之间摆动的软体机器人。(A)和(B)改编自[8]。(C)改编自b[9]。

6.软逻辑门无需修改，软阀可以作为逻辑门，并启用数字逻辑功能[9]。在这种情况下，高于前向压力的压力被解释为“1”，低于后向压力的压力被解释为“0”。阀门的功能取决于腔室和管道如何连接到外部压力源。图5A显示了阀门作为“非”闸板的结构。这种阀门的设计使得当没有压力施加到顶部腔室时，膜向上弯曲。顶管和底腔连接到大气(“0”)。底部管连接到恒压气源，解释为“1”。当顶腔无压力时(输入“0”)，阀门输出为“1”。当顶室施加相当于“1”的压力时，输出切换到“0”(即阀门将输入信号反转)。我们还演示了一个“或”逻辑门(图5B)和一个“和”逻辑门(此处未显示)。 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”闸阀。(B)阀门配置成“或”闸板。这个数字改编自b[9]。

7.数字、软逻辑电路如上所述，软阀可以用作软机器人[9]数字控制的构建块。我们已经实现了串行输入/并行输出移位寄存器，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2位寄存器。每次时钟切换到状态“1”时，将第一输出的当前状态转移到第二输出，并将当前施加的输入信号转移到第一输出。我们实现的另一个电路是一个两位数模转换器(图6B)。数模转换器将一个两位数字输入信号转换成四个不同水平的输出压力。

图6。数字逻辑电路。(A)一个2位串行输入/并行输出移位寄存器。(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离散状态，可以用于开关控制。在这里，我们结合了两种不稳定性来设计一个软阀:膜的咔咔不稳定性控制管道的扭结不稳定性，从而调节空气流量。软材料中还有许多其他不稳定性，可用于实现这些功能，并可直接集成到软执行器中。所示设计的优点是它将控制(膜上的压力差)与气流(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，但它也可以实现多个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。这项工作代表了迈向自主的完全软体机器人的一步，不需要任何电子或硬组件。

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