智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 杨畅
编辑 | 李水青
智东西6月21日消息，据美国《每日科学（Science Daily）》报道，近日，德国马克斯·普朗克研究所和美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员，利用蜘蛛关节液压驱动原理，设计出一种新的机器人关节驱动装置——软关节电动液压驱动器（SES）。
机器人关节驱动装置是机器人的动力来源，有液压式、电磁式等多种类型，电磁式最为普遍，之前的液压式驱动存在耗能、维护成本高等问题。最新的SES驱动器可以在关节处直接集成，无需任何笨重的组件和连接器，就可以轻松抓取小巧物体，能和高性能电磁驱动器表现相媲美，并且耗能很低。
该研究论文题目为《受蜘蛛启发的，可用于快速驱动柔软关节的电动液压驱动器（Spider-Inspired Electrohydraulic Actuators for Fast,Soft-Actuated Joints）》，于5月29日发表在《Advanced Science》上。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100916
一、现有关节驱动策略需加额外组件
在软体机器人领域，科研人员通过在机器人结构中融入弹性和柔性设计，努力重现自然生物多功能性，特别是学习生物可以和不确定、动态的外部力量或环境进行有效互动的能力。
不像大多数动物使用拮抗肌来产生运动，蜘蛛采取液压方式进行腿部运动，具有独特优势，这对机器人关节研发是一个重要的参考案例。
蜘蛛腿关节的基本结构通过液压创建扩展。坚硬的外骨骼有符合要求的关节分割，关节的外侧有柔软的波纹管膜。外骨骼中的空腔中含有蜘蛛的血淋巴，既是蜘蛛的“血液”，也是液压油。液体由蜘蛛前体的肌肉加压，关节柔软的波纹管膜在加压时膨胀，导致腿部伸展。蜘蛛恢复腿部弯曲则依赖于弹性组件或外骨骼内的肌肉。
想复制出像动物关节一样功能的机器人关节，需要使用一个轻量级的驱动装置，它可以支持高速和高功率输出、大幅度位移，并兼容无限制操作。虽然有无数种驱动策略存在，但还没有一种技术能满足所有这些要求。液压放大自愈式静电（HASEL）驱动器和袋状电机（pouch motor）解决了其中的一些问题。
HASEL使用导电液体驱动机制，由包裹着的电极和内装自愈绝缘液体的弹性软袋组成，在对其施加电压时，正负电极会相互吸引，从而挤压液体、改变软袋的形状，模拟人体肌肉的收缩。由于其可控制的线性收缩、可延伸的制造方案和可选择材料的通用性，Peano-HASEL驱动器在仿生机器人系统中尤其具有吸引力。然而，由于需要将线性运动转换为带角度的输出，因此很难将Peano-HASEL执行器集成到分布式关节连接系统中，这一要求增加了设计的复杂性，并限制了关节结构的可偏移程度，需要引入额外的组件。
▲HASEL驱动器
另外一些驱动技术，强调了机械有向性结构在机器人关节结构中的优点，包括集成刚性结构组件与软驱动，用于毫米到厘米尺度的机器人关节设计。特别是，Niiyama等人推出的袋状电机，由一个或多个由热熔粘接方法制造的气密膀胱（称为袋）组成，通过其分布式设计和机器人关节控制设计，提供了一种很有前途的连接方法，但仍然存在常见的气动学缺陷，需要通过复杂的有损耗空气网络分配压缩空气供应；因此，带宽和多自由度可控性仍然受到限制。
▲袋式电机
二、SES关节驱动器结构简单、取材方便
为了满足高性能驱动器的需求，实现关节快速连接，并可以无缝集成到机器人结构中，研究人员研发出了一种蜘蛛启发式电动液压机器人软关节驱动（SES）装置。SES驱动器吸收了线性Peano-HASEL执行器和旋转袋状电机的特性，具有高比扭矩（可与电磁式伺服电机相比）、快速操作（演示高达24Hz）、低功耗和反驱动能力，全部采用轻量级设计。
▲由蜘蛛腿部液压启发的SES驱动器原理
其中关键部件就是研究人员制作的由薄塑料薄膜（聚酯或聚丙烯都可以）制成的柔性袋，其中填充了液体电介质——一种植物油。然后研究人员在袋子的每一侧放置了电极，让这些充满液体的柔性袋用作驱动器，通过静电力产生液压动力。柔性袋连接到旋转接头，当在电极之间施加高电压时，静电力会导致液体电介质在柔性袋内移动，接头会弯曲。SES关节能够旋转高达70度，产生高扭矩，并且可以轻松恢复到起始位置。
“SES关节非常简单和轻便，因为没有外围组件会加重机器人的负担，”马克斯普朗克研究所机器人材料部主任克里斯托夫·开普林格（Christoph Keplinger）说：“软体机器人的许多应用，都需要多功能执行器。这些受蜘蛛启发的关节具有很高的功能性，并且只消耗很少的能量，它们制造起来既简单又便宜，我们使用的是塑料用食品包装，而且这些产品很容易延展。这些都是对机器人设计至关重要的品质，机器人可以采用多种不同的方式移动并操纵各种物体，而不会破坏它们。”
▲多节假肢式机器人
科学家们分别展示了双向关节、多节假肢和三指抓手机器人，它们都可以轻松抓取小巧的物体。
三指抓手是该团队使用SES关节展示其多功能性的一种应用。研究人员为抓手配备了类似肌肉的结构，以抓住阻碍其运动的物体。使用SES接头作为抓手的连接装置，需要的空间会小很多。
▲三指抓手式机器人
该论文的第一作者尼古拉斯·凯拉里斯（Nicholas Kellaris）说：“这项研究之所以引人注目，是因为我们可以使用多种材料，甚至是用来制作薯片袋的塑料来制作柔性袋。这样我们就可以在各种几何形状中使用SES，并具有专门调整的驱动特性。”
论文第二作者菲利普·罗特蒙德（Philipp Rothemund）补充道：“我们研究的最终目标不是制造蜘蛛机器人。我们想开发一种最先进的主动关节，您可以将其放入任何类型的机器人中。”
特别是对于只有几厘米大小的小型机器人系统，有限的空间严重限制了执行器技术的选择，SES关节将非常有用。对于软体机器人领域来说，这项发明确实是一个飞跃。
三、SES在关节处直接集成驱动，性能更高
使用SES制作的机器人关节在扭矩输出、比扭矩、关键速度、能量消耗等方面均有突出表现：
SES关节扭矩输出更高。最小能量型介电柔性关节扭矩输出为2.3mN.m，而SES关节的扭矩输出超过70mN.m。此外，与连续式HASEL相比，由SES关节制成的夹持器能够大幅提高稳定性和抓握力，从而实现更灵活的操作。
比扭矩（N.m.kg−1）即驱动器每立方厘米的上受到的扭矩力，是衡量旋转式驱动器的一个重要度量指标，驱动器此指标数值越高则性能越突出。SES关节在此项指标性能上可与电磁驱动器相媲美，后者是厘米尺度机器人系统的黄金标准。当归一化驱动器质量（1.36g）时，SES比扭矩高达21.2N.m.kg−1。根据德米扎基斯（Dermitzakis）等人的研究，各种伺服电机可达到最大比扭矩约为15N.m.kg−1（扭矩大小与伺服电机尺寸无关）。SES比扭矩表现极佳。
SES关键速度快，测量出的滚转频率为24赫兹，激活时间低至12毫秒。与依赖于系统内外热量缓慢扩散的热驱动系统相比，SES关节所采用的静电机制既快速又可扩展到大型阵列。
以SES关节基础的电液压装置在模型系统中显示出了20%的效率，此外，SES关节表现出捕获状态，这意味着它们在保持一个驱动状态时消耗很少能量，与状态之间的转换相比，保持一个驱动状态时的能量消耗减少了80倍。
SES关节的固有捕获状态，将有助于创建高效的多自由度机器人系统，允许从不连续驱动的关节获得最小的能量（例如，稳定组件）。此外，其静电致动器，可以通过实施电荷回收系统来提高表观效率，此前压电致动器中使用的电荷回收系统可以回收致动过程中50%以上的能量。与传统的流体驱动相比，SES关节无需流体管路和控制阀，而是易于成型的平面电气连接。
SES关节可以应用于各种关节机器人设计，利用机器人结构固有的机械部件为关节提供必要的支持层。此外，它们的电气操作是无声的，并允许执行器输出的直接电气到机械控制。电液系统的控制可以通过使用外部传感器的闭环控制方法来增强，甚至可以利用其使用电容测量自我感知变形状态的固有能力。
结语：SES为微型机器人提供更多可能
机器人关节驱动装置是机器人的动力来源，可分为液压式、气动式、电磁式和广义元件式等多种类型。因为电机具有启动速度快、调试范围广、过载能力强等优势，使用电机的电磁驱动方式最为常见。之前的液压驱动式装置存在耗能大、漏液、维护成本高等缺点，限制了在机器人中的应用。而SES的出现改善了机器人液压式驱动装置的一些性能，实现更强的输出能力，更小的安装空间，更省的能量消耗。
SES装置的优点还在于可以使用多种材料来制作其中的柔性袋部件，即使是薯片包装袋材料也可以，SES使用范围更加广泛。而可以在更小安装空间上使用，则是厘米级机器人关节驱动装置又多了更多选择。SES很可能在微型机器人领域发挥重要作用。
来源：Science Daily、Wiley
