上海交大刘铸永课题组研发出可应用于机器人软抓手和行走机器人的新型拓扑优化柔顺致动器

近期，机器人领域顶级期刊《Soft Robotics》以“A Versatile Topology-Optimized Compliant Actuator for Soft Robotic Gripper and Walking Robot”为题在线发表了船舶海洋与建筑工程学院工程力学系刘铸永课题组的研究成果，该工作提取了机器人不同领域的共同需求，研发了一种在机器人软抓手和行走机器人等领域可通用的新型拓扑优化柔顺致动器，为软机器人的工业应用及机械互换性提供了新的设计策略。刘铸永副教授为论文的通讯作者，第一作者为工程力学系博士研究生武廷科。

与传统的刚性机器人相比，软机器人具有更好的安全性和更高的环境兼容性。软机器人由杨氏模量接近生物组织的材料制成，由于其结构大变形及固有的柔顺性，在机器人操作中表现出许多独特的优势。因此，在工业应用、深海取样、生物医学、军事勘测等领域具有广阔的应用前景。

工业中迫切需要易于操作、多功能及鲁棒的柔顺致动器。典型的机器人软抓手关注抓取柔顺性和承载能力，而行走机器人则关注运动效率和结构稳定性。传统的刚性机器人极大地限制了运动的自由度。软机器人需要表现出刚性机器人所缺乏的柔顺性，以增强其交互性和适应性。此外，软机器人也需具备足够的刚度平衡负载，以提高机械效率和操作稳定性。因此，需要设计一种兼具柔顺性及刚度的柔顺致动器。

图1. 拓扑优化与设计主线

尽管仿生学为软机器人的设计提供了丰富的灵感。然而，仅根据直觉或经验预测柔顺致动器的运动及材料布局仍然是一项艰巨的挑战。因此该论文提出了多适用致动器的设计策略，并将其转化为复合目标函数的拓扑优化问题，基于建立的柔顺机构模型，获得了致动器在设计域内结构和材料的最优分布（如图1所示）。致动器应用于机器人软抓手，可实现对不同物体的自适应抓取，并能够有效克服跨介质抓取带来的扰动。利用该致动器开发的行走机器人依靠复杂的摩擦特性可实现定向行走并且机动性强（如图2所示）。该致动器有望在工业中应用，将设计的软抓手组装到工业机械臂上，能够稳定地操纵悬垂的螺丝并平稳地执行旋紧操作（如图3所示）。该研究源于机器人领域内的关键问题，从不同的应用领域中提取共同需求，研究成果使软机器人在应用及推广方面又迈出了坚实一步。

图2. 行走机器人的步态

图3. 机器人的工业应用

《Soft Robotics》是机器人领域的顶级期刊，影响因子在该领域仅次于《Science Robotics》，具有广泛的国际影响力。该期刊鼓励多学科交叉，涵盖了机械、力学、材料、控制等多个领域。

论文链接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2022.0247