在自然界中，許多生物進(jìn)化出了在復(fù)雜三維環(huán)境中自如運(yùn)動(dòng)的能力。受此啟發(fā)，機(jī)器人領(lǐng)域逐漸從傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向柔性本體研究。軟體機(jī)器人憑借其固有的柔順性和自適應(yīng)粘附能力，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境探索中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來已有原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了在水平與垂直表面之間的過渡運(yùn)動(dòng)。

無(wú)纜軟體爬行機(jī)器人水平圓管爬行

然而，現(xiàn)有軟體機(jī)器人普遍存在運(yùn)動(dòng)維度有限、垂直表面負(fù)載能力不足、缺乏有效傳感反饋等問題。盡管剛性機(jī)器人的軌跡跟蹤與路徑規(guī)劃技術(shù)已較為成熟，但軟體機(jī)器人因材料非線性、建模復(fù)雜及傳感集成難度大，其精確運(yùn)動(dòng)控制仍面臨顯著挑戰(zhàn)。目前基于視覺或融合感知的控制方法，尚無(wú)法在復(fù)雜軌跡跟蹤中兼顧精度與實(shí)時(shí)性，尤其在垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)難以穩(wěn)定抵消重力影響。

因此，如何開發(fā)能夠在水平和垂直表面上無(wú)縫過渡和精確軌跡跟蹤的軟體機(jī)器人仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

開發(fā)SPARC：實(shí)現(xiàn)三維地形運(yùn)動(dòng)過渡與精確軌跡跟蹤

針對(duì)軟體機(jī)器人當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，來自密歇根大學(xué)與上海交通大學(xué)研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深入研究，并開發(fā)出一款名為SPARC的軟體機(jī)器人。該機(jī)器人采用獨(dú)特的折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠在平坦路徑上爬行并攀爬垂直表面，其移動(dòng)精度達(dá)到通常只有剛性機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)的水平。

SPARC是一款柔軟、本體感受、敏捷的3D攀爬機(jī)器人，其攀爬動(dòng)作依賴于三個(gè)基于Kresling折紙圖案設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行器。這些幾何結(jié)構(gòu)在真空壓力作用下可預(yù)測(cè)地折疊，類似扭曲的手風(fēng)琴。研究團(tuán)隊(duì)利用這種可預(yù)測(cè)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人形態(tài)的精確判斷，且無(wú)需依賴外部傳感器。

具體來說，SPARC機(jī)器人集成了三個(gè)并行排列的3D打印Kresling折紙執(zhí)行器與吸盤結(jié)構(gòu)，可在多種表面上實(shí)現(xiàn)三維驅(qū)動(dòng)與吸附。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用了Kresling折紙固有的收縮-扭轉(zhuǎn)耦合特性，讓SPARC實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)本體感知和狀態(tài)重建，并對(duì)負(fù)載變化表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。為提升軌跡跟蹤精度，團(tuán)隊(duì)在步態(tài)控制器中采用了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過角度編碼器實(shí)現(xiàn)精確姿態(tài)管理，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)調(diào)整全局定位。在路徑規(guī)劃方面，團(tuán)隊(duì)采用的純追蹤算法能夠準(zhǔn)確跟蹤曲線路徑，并在急轉(zhuǎn)彎處保持靈活機(jī)動(dòng)。結(jié)合雙閉環(huán)控制策略與在線路徑規(guī)劃算法，SPARC能夠?qū)崿F(xiàn)精確的姿態(tài)控制。

在實(shí)際測(cè)試中，SPARC展現(xiàn)了在地面與垂直表面之間平穩(wěn)過渡的能力，并能在垂直平面上承載超過自身重量?jī)杀兜挠行лd荷（自重210克，負(fù)載500克）。得益于三個(gè)并聯(lián)氣動(dòng)Kresling執(zhí)行器的協(xié)同工作，SPARC在三維空間中的實(shí)現(xiàn)了60%高幅度收縮、50度彎曲性能，以及較高的負(fù)載能力。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，這項(xiàng)將三維驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新本體感知、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、魯棒控制和高效規(guī)劃策略相結(jié)合的工作，使SPARC成為目前已知首個(gè)能在三維地形中進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的軟體機(jī)器人。前不久，該研究成果的相關(guān)論文已以“SPARC: A Soft, Proprioceptive, Agile Robot for 3D Climbing and Exploration with Precise Trajectory Following”為題，發(fā)表于《Advanced Science》期刊。

▍五大關(guān)鍵：SPARC機(jī)器人的研發(fā)與設(shè)計(jì)制造

在復(fù)雜三維地形中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)、重物承載及平面對(duì)垂直面的平穩(wěn)過渡，是軟體機(jī)器人研發(fā)的重要方向。為達(dá)成這一目標(biāo)，SPARC軟體機(jī)器人需具備高幅度高強(qiáng)度收縮、三維彎曲及強(qiáng)粘附能力，其核心技術(shù)方案圍繞氣動(dòng)折紙執(zhí)行器設(shè)計(jì)、本體感覺建模、參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及步態(tài)控制展開，形成了一套完整的研發(fā)與驗(yàn)證體系。

SPARC的核心驅(qū)動(dòng)單元采用基于Kresling折紙?jiān)O(shè)計(jì)的氣動(dòng)折紙軟體執(zhí)行器。該設(shè)計(jì)使執(zhí)行器在-80kPa負(fù)壓條件下可實(shí)現(xiàn)60%的收縮率，驅(qū)動(dòng)力達(dá)3千克，使用壽命超過20000次循環(huán)。這些性能分別源于折紙圖案的高展開率、真空驅(qū)動(dòng)方式及高質(zhì)量3D打印工藝。同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用Kresling折紙固有的收縮-扭轉(zhuǎn)耦合運(yùn)動(dòng)特性，賦予執(zhí)行器自我感知與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整長(zhǎng)度的能力。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由三個(gè)線性Kresling執(zhí)行器并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)執(zhí)行器包含六個(gè)串聯(lián)且保持手性的基本單元。單元之間插入剛性支撐環(huán)以防止六邊形橫截面變形，確保執(zhí)行器僅產(chǎn)生純線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)抑制Kresling執(zhí)行器扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)不同，SPARC通過3D打印連接器將執(zhí)行器末端與軸承內(nèi)環(huán)運(yùn)動(dòng)耦合，軸承外環(huán)則剛性安裝在前腳基座上，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形與整體結(jié)構(gòu)的分離。每個(gè)執(zhí)行器一端的軸承上安裝微型角度編碼器，在實(shí)現(xiàn)純軸向收縮的同時(shí)，可測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度并轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器長(zhǎng)度，集成至傳感結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。

Kresling折紙執(zhí)行器的仿真和SPARC的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

為實(shí)現(xiàn)三維地形粘附與穿越，SPARC配備四個(gè)硅膠吸盤作為足部，每個(gè)足部采用雙吸盤配置以降低變形風(fēng)險(xiǎn)，確保真空粘附時(shí)位置與方向穩(wěn)定。機(jī)器人本體還安裝兩個(gè)測(cè)量標(biāo)記，為控制系統(tǒng)提供自定位反饋。在執(zhí)行器制造環(huán)節(jié)，SPARC采用軟硬材料組合的3D打印工藝以保障內(nèi)部收縮均勻、性能一致并降低人工成本。執(zhí)行器軟質(zhì)部分選用TPE材料，其較低的肖氏硬度和較好的流動(dòng)性有助于減少腔室壁缺陷并提升氣密性。剛性部件采用PLA材料打印，真空吸盤則由硅橡膠制成。

為將Kresling折紙執(zhí)行器的本體感受特性應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過有限元分析建立執(zhí)行器長(zhǎng)度與扭轉(zhuǎn)角度的映射關(guān)系，并對(duì)3D打印后的TPE樣品進(jìn)行單軸拉伸測(cè)試以修正材料特性變化?；诶鞙y(cè)試獲得的材料參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)Kresling折紙室折疊過程展開分析。結(jié)果顯示執(zhí)行器長(zhǎng)度與自扭轉(zhuǎn)角存在明確關(guān)聯(lián)，且最大應(yīng)力集中于不可折疊六邊形的外邊緣，與實(shí)驗(yàn)中觀察到的疲勞損傷位置一致。通過特定擬合方法推導(dǎo)的自我感知模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較高可靠性。

壁厚是影響SPARC氣動(dòng)執(zhí)行器功能的關(guān)鍵參數(shù)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合有限元分析仿真與實(shí)驗(yàn)確定最佳壁厚，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壁厚低于0.6毫米閾值時(shí)，執(zhí)行器易在實(shí)驗(yàn)中開裂損壞。最終，為確保結(jié)構(gòu)完整性，折紙腔室壁厚選定為0.6毫米。研究指出，若采用更先進(jìn)的制造方法，有望進(jìn)一步減小壁厚并避免破裂或泄漏問題。

SPARC 在復(fù)雜環(huán)境中的多功能 3D 運(yùn)動(dòng)

針對(duì)軟體機(jī)器人建模難度高的問題，SPARC采用在多段連續(xù)體機(jī)器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的分段恒定曲率模型。該模型基于恒定曲率假設(shè)的簡(jiǎn)單性與有效性，將多個(gè)恒定曲率段連接以構(gòu)建整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在SPARC的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中，當(dāng)后足吸盤固定、前足吸盤釋放時(shí)，模型可建立前足位置與三個(gè)執(zhí)行器長(zhǎng)度的關(guān)聯(lián)。基于此模型確定的運(yùn)動(dòng)空間顯示，其最大前向步長(zhǎng)為30毫米，工作空間呈圓錐體結(jié)構(gòu)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

爬行步態(tài)設(shè)計(jì)方面，SPARC的靈感來源于蚯蚓的運(yùn)動(dòng)模式。一個(gè)完整的向前步態(tài)周期包含四個(gè)階段：前足固定、腔室收縮、后足固定、腔室伸展。兩個(gè)步驟構(gòu)成一個(gè)完整循環(huán)，可推動(dòng)機(jī)器人向前移動(dòng)30毫米。為確保在光滑表面的可靠粘附，實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)吸盤施加預(yù)加載向下力的策略，增加吸盤邊緣與表面的接觸面積以保障密封效果。

基于上述步態(tài)設(shè)計(jì)與純追蹤控制器，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了SPARC的跟蹤控制算法。該算法構(gòu)建了雙環(huán)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)：外環(huán)為基于機(jī)器人全局位置反饋的系統(tǒng)級(jí)軌跡跟蹤控制，內(nèi)環(huán)為利用局部末端執(zhí)行器角度編碼器反饋的執(zhí)行器級(jí)控制。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，SPARC在水平面S形曲線、水平面正方形軌跡、垂直面半圓軌跡及垂直面承載500克負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)中，均能完成軌跡跟蹤任務(wù)，實(shí)際位置與理論位置的誤差處于較低水平，證明該控制算法具備良好的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

▍能力驗(yàn)證：SPARC的軌跡跟蹤與模塊化地形適應(yīng)測(cè)試

為評(píng)估SPARC軟體機(jī)器人在不同工況下的運(yùn)動(dòng)性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)其在水平與垂直平面上的軌跡跟蹤能力進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。

測(cè)試場(chǎng)景包括無(wú)負(fù)載和攜帶500克負(fù)載（約為機(jī)器人自重兩倍）兩種條件，設(shè)計(jì)了水平面S形曲線路徑、銳角路徑，以及垂直面直線路徑、曲線路徑四種典型測(cè)試軌跡。

路徑跟蹤控制器和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SPARC能夠成功跟蹤水平面上的預(yù)定軌跡。在直角轉(zhuǎn)彎階段，由于控制算法主要聚焦于前腳軌跡的精準(zhǔn)控制，后腳出現(xiàn)了輕微偏差。在垂直平面弧線軌跡跟蹤過程中，機(jī)器人初始階段受重力影響產(chǎn)生向下偏移，但通過雙閉環(huán)控制算法的實(shí)時(shí)調(diào)整，在后續(xù)運(yùn)動(dòng)中逐步修正了軌跡偏差。

值得關(guān)注的是，在垂直平面直線向上軌跡測(cè)試中，SPARC在攜帶500克負(fù)載的情況下仍能保持穩(wěn)定的上升運(yùn)動(dòng)。量化數(shù)據(jù)分析表明，SPARC在水平地面運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)跟蹤誤差約為0.5%；在垂直墻壁曲線路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)中，軌跡偏差控制在3%以內(nèi)，這一結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人在水平與垂直表面均具備精確自主運(yùn)動(dòng)的能力。

為進(jìn)一步拓展機(jī)器人的地形適應(yīng)能力，研發(fā)團(tuán)隊(duì)探索了多模塊組合方案。通過將兩個(gè)SPARC模塊串聯(lián)，構(gòu)建了串行配置機(jī)器人。理論分析顯示，該配置可使機(jī)器人最大彎曲角度提升至100度，同時(shí)最大步長(zhǎng)達(dá)到單模塊的兩倍，使其能夠?qū)崿F(xiàn)從地面到正交（90度）墻壁的平穩(wěn)過渡，突破了單模塊在復(fù)雜地形銜接處的運(yùn)動(dòng)限制。

使用串行配置的SPARC 進(jìn)行地面到墻壁過渡的運(yùn)動(dòng)策略和演示

針對(duì)串行配置SPARC從地面到墻壁的過渡場(chǎng)景，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分階段運(yùn)動(dòng)策略。當(dāng)機(jī)器人前腳接近墻壁（距離≤2厘米）時(shí)，過渡程序啟動(dòng)。整個(gè)過程分為四個(gè)協(xié)調(diào)步驟：首先通過控制后模塊下執(zhí)行器的壓力實(shí)現(xiàn)向上彎曲；隨后調(diào)節(jié)前模塊下執(zhí)行器使整個(gè)機(jī)器人拱起；接著微調(diào)上執(zhí)行器將前腳壓向墻壁并激活吸盤；最后通過執(zhí)行器收縮將機(jī)器人整體固定在墻面上。

在墻壁攀爬階段，串行配置SPARC采用了與地面爬行相似的步態(tài)周期原理，但針對(duì)垂直環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。通過降低特定腔室的負(fù)壓值，控制執(zhí)行器的伸展幅度，使機(jī)器人頭部先向上傾斜再緩慢下降，有效減少了與墻壁的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提升了攀爬過程的安全性和流暢度。

這些測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了SPARC軟體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能和地形適應(yīng)能力，為后續(xù)在更復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。多模塊組合方案的提出，則進(jìn)一步拓展了軟體機(jī)器人在實(shí)際工程中的應(yīng)用潛力。

參考鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202510382