The Innovation | 一种具有自我感知适应能力的仿生脊椎软体机器人

环境适应性是软体机器人实现高效运动的重要特征。然而，现有软体机器人的感知系统与驱动系统相对独立，从而导致两者协同效果差。如何设计和开发一种像生物体一样具有独立决策和自发调节能力的智能软体机器人仍然颇具挑战。

导 读

在驱动系统中集成传感功能是软体机器人智能化发展的重要方向。但是如何发挥感知和驱动功能之间的协同作用，使得软体机器人能够像生物体一样具有独立决策和主动调节的能力，仍然是一个挑战。上海交通大学张文明教授团队，设计了一种具有自感知-适应能力的软体机器人。他们利用正逆压电效应，设计了具有“传感-驱动”功能一体化集成的仿生脊椎，赋予了软体机器人卓越的运动能力和对不同环境的感知能力，进而能够通过主动决策与自发运动调节来实现对于不同环境的高效适应。

图1 图文摘要

仿生脊椎软体机器人

仿照生物体运动的必要器官—脊椎和软组织肌肉，本文利用压电效应的可逆性，设计了一种感驱一体的仿生脊椎，利用气动折纸驱动器作为人工肌肉，实现了一种具有自我感知适应能力的智能软体机器人。该仿生脊椎利用可逆的物理效应，能够为软体机器人提供躯干支撑、驱动辅助，以及感知调节等功能。

支撑功能：尽管轻质且低成本的常规气动折纸人工肌肉在负压驱动下可以产生很大的伸缩变形，但是存在着刚度低、形变恢复慢等缺陷。通过引入仿生脊椎作为支撑，不仅增加了人工肌肉整体的刚度和输出力，同时也提高了仿生脊椎在驱动过程中的弹性势能转换效率，进而提高了人工肌肉的响应速度。

辅助驱动功能：通过特定频率和相位的电压信号，仿生脊椎产生主动机械形变，这种辅助驱动的形式能够增强气动人工肌肉的输出效果，从而提高机器人整体效率。

感知功能：仿生脊椎的电压反馈信号直观地反应了机器人的运动状态。通过对反馈信号幅值、频率等参数的进一步剖析，结合机器学习算法，即可实现对机器人运动参数（收缩率和驱动频率）以及周围环境（粗糙度等特征）的识别。与此同时，一个特定的桥式电路被用来实时解耦仿生脊椎的驱动电压信号和传感电压信号。

研究发现，面对不同的运动环境（例如草地，砂石，光滑面等等），机器人总是存在着与之相匹配的最优驱动参数，使其在对应环境下保持最高的运动效率。当仿生脊椎软体机器人执行任务时，仿生脊椎的传感功能识别机器人此刻所处的环境，由此做出判断，选择最优的驱动频率。之后，机器人会自我调节其人工肌肉与仿生脊椎的驱动参数，主动转变为最高效率运动模式。

图2 具有“环境感知—自适应”能力的仿生脊椎软体机器人

高效与全天候的运动

在“自感知—适应”能力的加持下，仿生脊椎软体机器人能够流畅地完成从环境识别、自我决策到主动调节的闭环工作流程，从而高效地完成任务。比如，一个结构简单的爬行机器人可以通过主动适应功能来穿越起伏的砂石路面，进而飞快地通过每一个工作地形。此外，由于仿生脊椎软体机器人的环境感知依赖于本体的机械变形，在没有可视化信息输入的情况下，仍然能够在复杂光照甚至黑暗环境下保持自感知-适应能力。这对于开发下一代全天候工作机器人具有重要意义。

图3 智能爬行机器人在多地形任务中的自感知—环境适应能力演示

具有全向运动能力的智能软体两栖机器人

为了验证仿生脊椎的可靠性，本文设计了一个具有全向运动以及自我避障意识的软体两栖机器人。该机器人由对称人工肌肉、仿生脊椎以及经过特别设计的足部组成。特别的足部结构使机器人在不同姿态下与地面产生不同的作用力效果，通过简单调节机器人的运动姿态以及人工肌肉间的协同驱动能够控制机器人实现前进、后退以及转向运动。在自感知—适应能力的加持下，机器人展示出了对于障碍物的感知与规避能力，以及在水陆两栖多地形任务中的较高效率。该机器人验证了仿生脊椎设计的可拓展性以及功能元件和系统的高简洁性。

图4 具有水陆两栖，全向运动以及自适应能力的智能软体机器人

总结与展望

本文设计了一种智能软体机器人，通过一个兼具感知和驱动能力的仿生脊椎，提高了软体机器人系统的智能化程度，并赋予其自感知-环境适应能力。基于此方法设计的软体爬行机器人以及两栖机器人能够识别环境、自我决策和自我调节，能够始终让自身处于最优的运动模式。具有协同效应的感驱一体仿生脊椎不仅在最大程度上减少了系统的冗余，而且构建了从感知识别到决策响应之间的桥梁。该研究能有效激发未来高智能、全天候、低成本的智能软体机器人研发。

责任编辑

施建宇   西北工业大学

于润泽   北京高压科学研究中心