环纵肌复合的气动仿蠕虫机器人研究
邵城，滕燕
(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)
摘要：设计了一种新型环纵肌复合的气动仿蠕虫软体机器人，详细介绍了其结构设计与试验过程。基于蚯蚓运动模型，分析了软体机器人直线运动及转弯运动原理。设计了各气腔充放气时间，确定了机器人运动周期，进行了软体机器人直线运动、转弯运动、爬坡运动和越障运动等试验研究。结果表明：该机器人最大爬行速度为18mm/s，一个周期内能转过37.8°的角度，最大爬坡角度为17.8°，能够跨越高6mm的障碍物。
关键词：环纵肌复合；气动；仿蠕虫；软体机器人
中图分类号：TP242.3 文献标识码：B 文章编号：2095-509X(2019)05-0040-06

随着仿生机器人的发展，软体机器人受到了世界各国研究者的广泛关注。与传统的刚性机器人相比，软体机器人以自然界的软体生物为原型，具有许多优点：理论上具有无限多自由度，末端执行器能够到达空间上任意一点；具有很好的灵活性，可以适应各种狭窄而不规则的环境；通过主动变形和被动变形能够在较大范围内改变自身的形状和大小，能够穿过比自身常态尺寸更小的缝隙。因此，软体机器人在工业、军事、医疗、救援等领域有着广阔的应用前景。
王坤东等开发了一种仿蚯蚓的多关节蠕动微机器人，利用多个十字万向节连接直线驱动器，机器人在弯曲的通道中能灵活自适应改变自身姿态进行各项运动，但机器人结构相对复杂，且运动最大速度不超过6mm/s。Wehner等设计了一个仿生章鱼软体机器人，该机器人全部结构都由软体材料构成，利用机器人体内化学反应产生的气体驱动机器人的各个触手运动，控制难度较大。文献通过将SMA（shape memory alloy）弹簧嵌入硅橡胶皮里研制出仿毛虫柔性机器人，其驱动器的驱动力仅为0.1~1.0N。文献制作了一种四足柔性机器人——Multigiait，能通过四肢的变形在各种复杂的地形上运动。毛世鑫模仿海星的结构，开发出辐射对称柔性机器人，具有6只触手，采用SMA作为触手驱动器，在7min移动了249.5mm。Wang等在尺蠖运动模式的启发下设计了一个仿尺蠖软体爬行机器人，该机器人在前后左右都镶嵌记忆合金，可以实现爬行和转弯，爬行速度为3.6mm/s，一个步距内转弯角度仅为4.3°。SMA驱动软体机器人存在着驱动力小，机器人运动速度低下的缺点。费燕琼、王绪等设计了一种由多个球形模块组成的仿蠕虫爬行软体机器人，通过对各个模块有规律的充放气，实现了蠕动，运动模式单一。戚勍设计了一种气动仿蠕虫爬行柔性机器人，该机器人由4个相同模块组成，爬行速度为5.6mm/s，存在严重的后溜现象，效率低下。
目前，软体机器人普遍存在着运动形式单一、运动速度低、控制困难等缺陷，针对这些缺陷，本文设计了一种全新的环纵肌复合的气动仿蠕虫软体机器人。该机器人采用硅橡胶材料作为主体材料，具有环肌气腔及纵肌气腔，通过对环肌气腔及纵肌气腔有规律的充放气，实现了机器人的快速爬行及转弯运动，同时具有一定的爬坡能力和跨越障碍的能力。

1 机器人结构设计
1.1蚯蚓运动模式分析
蚯蚓肌肉分为环肌层和纵肌层，若某一段体节的纵肌收缩、环肌舒张，则此段体节变粗变短，刚毛伸出插入周围土壤；若某一段体节的环肌收缩、纵肌舒张，则此段体节变细变长，刚毛缩回，脱离土壤，后一体节支撑身体前行。
由于体节运动波形具有重复性，因此将蚯蚓体节模型简化，取其中4段体节研究其运动周期。

作者简介：邵城（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为气动控制技术，shaocheng20110914@163.com.