受树栖蛇爬树行为启发，西南科大研发出管线外壁攀爬软体机器人|163

西南科技大学制造学院臧红彬副教授研究团队近日在国际机器人领域TOP期刊《Soft Robotics》发表了关于仿生软体机器人最新研究成果——“Soft Rod-Climbing Robot Inspired by Winding Locomotion of Snake”，这是世界上首次实现仿树栖蛇攀爬树干运动的软体机器人。硕士研究生廖冰和指导老师臧红彬博士为论文共同第一作者，团队成员陈明扬、王韵杰、郎鑫、朱娜娜、杨正参与软体机器人设计、制造、控制、实验、优化等工作，易艳参与结构图设计工作。西南科技大学为第一通讯单位，臧红彬博士为论文唯一通讯作者。

图1 树栖蛇攀爬树干

树栖蛇经过亿万年的自然演变，进化出了独特的攀爬树干行为（图1）。受此启发，团队创新设计了一种类蛇缠绕式攀爬软体机器人仿生结构，主要由2个仿蛇缠绕式软体执行器和1个伸缩式软体执行器组成（图2），采用气动驱动作为动力源。该软体执行器为团队自主研发，主要由波纹管和控制缠绕方向的弹性层和约束层构成，成本低廉，便于生产，性价比极高。通过分析树栖蛇的攀爬运动机理，提出了仿蛇运动六个步态的控制策略，并研发了控制系统（图3）。

图2 仿树栖蛇软体机器人结构设计

图3 运动步态控制策略及其控制系统

基于常曲率弯曲假设，建立了软体执行器的运动学模型（图4）。分析缠绕软体执行器随气压的弯曲运动和伸缩软体执行器随气压的线性运动（图5）。同时也评估了软体执行器的变形能力和不同结构参数对运动速度与负载性能的影响规律（缠绕软体执行器环数与旋向、伸缩软体执行器节数、负载和频率，图6）。

图6 结构参数对运动速度与负载性能的影响规律

实物样机测试显示，该软体机器人可实现高效攀爬运动。例如，能以30.85mm/s的最高速度垂直攀爬（每秒0.193倍自身体长，图7左上）；攀爬时能携带500g的有效负载（超过自身重量25倍，图7上中）和攀爬不同摩擦表面的杆件、近直角的杆件（图7 右上）以及变直径的杆件自适应攀爬能力（图7下）。

图7.爬杆运动（左上），负载测试（上中），直角转弯图（右上）和变直径杆件自适应攀爬（下）

该项目的研究为复杂受限空间核管线检查、高压电缆巡检以及水下管道监测等软体机器人运动母体的研发提供新的思路和关键技术支撑，推动软体机器人技术在检测领域的应用进展。