哈尔滨工业大学丁亮教授团队：软体足式机器人驱动、建模与仿真研究综述丨JME文章推荐|哈尔滨工业大学|机器人|软体

软体足式机器人因其优越的移动性能及面对复杂地形的通过能力受到越来越多研究者的关注。由于受到材料性质、驱动方法及制造工艺等多方面的限制，如何实现软体足式机器人的创新结构设计，提升软体机器人的运动速度和负载能力是目前亟待解决的问题之一。

哈尔滨工业大学的研究人员牛丽周, 丁亮, 高海波, 杨怀广, 苏杨, 李楠在《机械工程学报》2021年19期发表了《软体足式机器人驱动、建模与仿真研究综述》一文，综述了从仿生结构与驱动方法的角度对目前软体足式机器人的研究发展进行了系统阐述。由于软体机器人多为连续变形结构，加之软材料的物理非线性和软结构变形的几何非线性，力学建模与仿真一直是软体机器人研究领域的瓶颈。梳理了目前软体机器人的主要建模理论，总结了软体机械臂的建模与控制方法，进一步将其拓展到软体足式机器人的系统建模中。介绍了传统商业软件的应用与物理仿真引擎开发的进展，分析了软体机器人虚拟仿真的主要方法，展望了软体足式机器人的应用场景与未来研究方向。

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引用论文

牛丽周, 丁亮, 高海波, 杨怀广, 苏杨, 李楠. 软体足式机器人驱动、建模与仿真研究综述[J].机械工程学报, 2021,57(19): 1-20.

NIULizhou, DING Liang, GAO Haibo, YANG Huaiguang, SU Yang, LI Nan. Review ofActuation, Modeling and Simulation in Soft-legged Robot[J]. Journal ofMechanical Engineering, 2021, 57(19): 1-20.

传统足式机器人与软体足式生物

国外采用流体驱动的软体足式机器人

国内采用流体驱动的软体足式机器人

化学反应驱动的软体足式机器人

介电弹性体驱动的软体足式机器人

智能材料驱动的软体足式机器人

SMA驱动的软体足式机器人

磁场驱动的软体足式机器人

光驱动的软体足式机器人

欧盟仿章鱼软体足式机器人

机电式或多种驱动方式组合的软体足式机器人

不同仿真框架下的可视化仿真效果

软体足式机器人的发展离不开材料、驱动、传感与柔性电子等软体机器人技术的共同进步，软体足式机器人研究的本质是为人类的生产与生活服务，针对目前软体机器人研究领域仍然存在的共性问题，未来面向产品化应用的软体足式机器人研究可以考虑以下方向。

(1) 基于学科交叉的智能融合：柔性驱动、柔性传感以及柔性电子等硬件模块仍制约着软体足式机器人向智能化与集成化方向发展，通过多技术学科的协同攻关可以实现驱动、传感、控制单元与机器人本体的融合，摆脱固定能源供给的限制，实现软体足式机器人智能感知与运动控制的系统集成。

(2) 基于仿生灵感的刚柔耦合：善于奔跑的动物通常既有坚硬的骨骼也有柔韧的肌肉，完全柔软的章鱼也具有变刚度的功能，未来软体足式机器人需要具备根据任务需求主动改变刚度的本体感知能力，耦合多种驱动方式，充分开发结构仿生与功能仿生的潜力，提升不同尺度下软体足式机器人的负载与交互性能。

(3) 基于力学模型的精准控制：软体足式机器人的优势在于复杂环境下的适应性与人机交互的安全性，针对软体机器人的力学体系尚未建立，结合多种材料特性与环境因素的力学建模与仿真对于实现软体足式机器人的精确控制具有重要工程意义。

重要结论

软体足式机器人是机器人系统的重要组成部分。材料与驱动是软体机器人研究的基础与热点，建模与仿真是软体机器人研究的难点与制高点。

(1) 流体驱动在软体足式机器中应用最为广泛，如何摆脱气源管路与复杂控制系统的限制是其结构创新的关键。化学反应驱动和非接触式物理场驱动易于实现机器人的无约束移动但需克服难以控制的问题。化学反应与化学材料在软体机器人研究中扮演者十分重要的角色，多种智能材料的开发与应用推动着软体足式机器人的进步。机电式驱动为软结构提供了充足的动力，但也限制了整机的柔韧度，多种驱动方式组合赋予了软体机器人更加丰富的功能。

(2) 软体足式机器人的力学建模与控制仍处于从刚性到软体的过渡阶段，分段法、连续介质梁理论以及有限元方法是当前的主流，控制方法则以开环控制和基于视觉伺服的反馈控制为主，融合机器学习的软体机器人智能控制也是当前潮流之一。

(3) 传统商业软件是目前软体模块及单一驱动型软体机器人仿真的首选，有限元技术与计算机图形学在面向软体足式机器人系统仿真引擎开发中起到了中流砥柱的作用，但是面向软体足式机器人的专业仿真软件仍有待进一步开发。

结果

软体机器人在工业生产、环境勘测、医疗康复、外科诊断、军事侦察等领域有着广阔的应用前景。虽然目前软体足式机器人的研究大多处于材料、结构与驱动的突破创新阶段，将软体足式机器人真正应用到人类社会的生产及生活仍有较大差距，但是在可预见的未来，软体足式机器人在深空探测、抢险救援、人机交互与微观操作等领域具有广泛的应用价值。

深空探测与在轨服务

对于火星、月球以及更遥远行星的探测，机器人需要克服失重或微重力，太空辐照，极端温差等诸多恶劣因素，同时还要面对几乎完全未知的地形环境。传统的轮式或刚性足式机器人不能完全满足日趋复杂的探测任务，深空探测需要重量更轻，结构更灵活的软体足式机器人的参与。应用软体机器人替代工作还可以有效降低航天员出舱作业的风险，我国空间站即将入轨开展空间任务，未来软体足式机器人可以像传统机械臂一样参与到航天器在轨服务中，例如检测太阳翼，维护航天器天线等。航天器造价高昂且难以回收，软体足式机器人可以装配软体抓手，或者将自身改造为软体抓捕机构，执行航天器回收、空间碎片清理、或卫星抓取任务。

环境勘测与抢险救援

人工进行水下探险、海底作业或是核泄露事故场景下的抢险救援成本高昂并且危险度极高，采用机器人替代人类工作就显得十分必要。大多数软材料具有重量轻与防辐射的特点，软体足式机器人同时具有运动灵活，抗寒抗压能力强，可变形程度高等优势，开发类似章鱼的软体足式机器人，既可以灵活移动，同时具备柔顺的操作臂可以应用工具执行水下探测、设备维修或救援任务。拥有变色伪装、变温功能的软体足式机器人在军事侦察中具有独特的隐蔽优势，在事故环境中还可以携带相机和传感器进行狭窄空间下的环境与生命感知。

医疗康复与人机交互

目前已有商业化的软体抓手应用于工业生产，协助病人康复的软体穿戴设备以及用于外科手术或医疗诊断的软体机械臂也正在逐步走向实用化。软体足式机器人具有天然独特的柔顺性与安全性优势，与传统医疗康复类机器人研发相结合，开发具有移动和交互操作能力的软体足式机器人可以实现照顾老人，辅助残障人员，陪伴儿童玩耍等功能，还可以应用到餐饮、商场等服务行业中。未来人机智能融合离不开软体足式机器人的参与。

作者简介

牛丽周，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为软体机器人系统建模与仿真。

丁亮(通信作者)，男，1980年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为星球探测机器人、野外足式机器人与地面力学。

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编辑：恽海艳校对：张强

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