在狹窄地形靈活移動的 纖毛致動器機器人

1. 在狹窄地形靈活移動的纖毛致動器機器人 作者: Hitoshi KIMURA, Takuya HIGASHI, Mokutaro KATAOKA and Norio INOU

2. 介紹 • 本研究提出一種裝有新型纖毛致動器可靈活移動的機器人。該機器人由幾個體節組成。外型類似蚯蚓、海葵等生物。它的機體每一段的周圍都有軟性纖毛致動器，由液壓骨架機制控制。幾乎所有部件都非常靈活，使機器人達到了良好的機動性。該機器人的特點是對於狹窄的地形非常有用，如災難現場、細管和結腸檢查。還可以使用相機在狹小的空間內檢查。

3. 纖毛致動器機器人 相鄰節段之間的彎曲致動器對關節提供2個自由度的運動。 纖毛致動器由軟袋組成並且由內壓控制。

4. 軟袋製成的液壓骨架之剛性控制 纖毛致動器的液壓骨架結構是用以聚氨酯橡膠板為原料的軟袋所組成。當它加壓時是硬的，當它減壓時是軟的。這種結構可控制致動器和其內部壓力。

5. 纖毛致動器驅動的自動適應地形改變 在狹小的空間移動是機器人研究的重要問題。一般的移動機器人容易被狹窄的地形卡住，而本文提出的移動機器人可防止被卡住。

6. 纖毛致動器 • 1.基本原理 • 纖毛的運動包括產生動力的有效衝程和返回到初始狀態的恢復衝程。以往採用逐行波驅動於纖毛機制。此機制照順序驅動纖毛的根部，然而用這種方法產生驅動力要求纖毛有一定的剛性。相比之下，本文建議的機制對環境接觸的部分是軟的，它可提供比常規纖毛機制更靈活的機制優勢。 • 為了實現纖毛運動，一般的往復式機制是不適合的，因為恢復衝程會以相反的方向產生驅動力。造成不良的反向運動和致動器不正常。生物的纖毛變形相當靈活，可以避免向後的力量，但在實際的機構上不容易實現。一個理想的機制，是不產生任何向後的力量。我們只能盡量減少此力量。

7. 內壓所產生的推動力 軟袋是用超音波焊接機將兩片聚氨酯橡膠板加熱粘合。軟袋的形狀可隨需要改變，然而一般此結構不適合凹形，因為它是用壓力流體使之膨脹。通過增加內部壓力，袋子會擴展和產生動力。

8. 用3個軟袋作2個路徑運動的纖毛致動器 此機制有一個主要纖毛袋和2個支持袋。在週期結束時整個致動器返回到初始狀態。這種致動器可因為它對稱的結構而改變驅動方向。

9. 本研究新提出用2個軟袋的單程纖毛致動器 3袋機制至少需要3個流體閥和管道。本研究提出的機制簡化了機械結構和流體線路，也有助於提高機體表面致動器的數量。

10. 實際的纖毛致動器示意圖（單位：毫米） 此為纖毛致動器連接彼此共同的流體路徑圖。在有效衝程和恢復衝程中纖毛都要互相搭接。纖毛的形狀是半錐形。通過實驗和用非線性有限元素分析法計算數值驗證結構強度。搭接的寬度也要檢驗。此纖毛致動器，寬度超過1.5毫米足夠輸入的壓力為0.2MPa(兆帕)。實驗結果顯示，致動器的爆破壓力約為0.4 MPa ，而屈服壓力約0.3MPa。另外軟袋的織物材料可增強其結構並提高致動器的力量。

11. 纖毛致動器的迴力機制 如果機體從地上抬起不夠高，大袋保持彎曲，它不會在恢復衝程中返回初始狀態。為了避免這個問題，其他致動器用多相位驅動輔助恢復衝程是有用的。某些物體的撓性在幫助致動器運動也是必要的。如果機體太僵硬，纖毛致動器容易夾在機體和地形中。

12. 纖毛致動器 • 2.閥門的操作時序 • 閥門操作時序在提出的致動器中是非常重要的。因為不容易測量每個軟袋的內部壓力，適當的閥門操作時間應事先測量。從嚴格意義上講，最佳的操作時機將取決於如載重、地形等環境條件的改變。然而從一定的負載條件中粗略估計是可行的。本研究檢驗了幾個閥門操作時序的致動器運動。 • 多相位驅動對提出的致動器恢復衝程有好處。本研究用壓克力硬板與4個相位纖毛致動器做成實驗儀器來測量最佳的閥門時序。所有驅動實驗因考慮實驗成本皆使用空氣當作驅動流體。

13. 纖毛致動器的測試儀器

14. 閥門的操作順序 此表說明了每個階段的閥門的操作順序。

15. 速度和致動器衝程長度的實驗結果 本研究探討速度和衝程長度對於閥門操作時序的相依關係。在有效衝程和恢復衝程之間閥門開放時間的比例是5:4。從結果可看出，有效衝程時間為1秒時此運動可以達到最快的速度16.7毫米/秒。

16. 靈活的移動機器人 • 本研究做出了2種軟袋纖毛致動器的移動機器人原型，並且進行了在彎曲軟矽管內移動的實驗。實驗中閥門時序的設置要考慮上一節描述的結果。雖然第一種使用被動關節連接的原型可以通過管道，卻發現轉彎性能上的問題。在轉彎處機器人的速度經常下降，因為頭段受到地形的摩擦阻力。為了減少阻力，第二種原型在機體節段之間採用2自由度的主動關節。從簡單度來說，被動關節優於主動關節，然而主動關節在方向變化上有好處，類似蛇形機器人的運動。特別的是主動關節對高摩擦阻力的地形很有用。 • 另一個問題是阻塞問題。當機體內的流體管道或纖毛根部在運動過程中彎曲，流體路徑容易阻塞。為預防阻塞，本研究在管道內插入了架構弦。

17. 第一種原型機器人 機器人分成3段，其直徑為100毫米，體節間由被動關節連接。且輸入壓力約為0.1MPa。

18. 原型機構中1段纖毛致動器 每個體節有2行纖毛致動器在它的機體周圍。

19. 通過彎曲的管路 管道內徑為94毫米。管道中心線的曲率半徑為108毫米。

20. 體節之間的2自由度關節 第二架原型機每段連接4個由聚氨酯橡膠板製成的可擴展致動器。為了使之前進，該致動器加壓時擴展，減壓時收縮。

21. 流體管道內的弦可預防阻塞 此弦在管道內產生一個穩定截面空間，因為即使是彎曲180度，該管道也具有一定的截面積。

22. 第二個原型機器人 直徑為70毫米，略小於第一種原型的100毫米。直線速度為11.7毫米/秒，幾乎和第一種原型相同。

23. 驅動實驗和頭段的相機視圖 作者現在計劃在相機附近接上軟袋做成的靈活小手。

24. 在紙做的軟管運行實驗 第二架原型機也可以通過非常軟的管子。這個實驗中的管子是紙做的。這一結果意味著機器人幾乎不會破壞地形。

25. 結論 • 本研究提出了使用液壓骨架驅動其纖毛致動器的新型靈活移動機器人。致動器是由2個結構簡單的軟袋組成。將一個鋼性板裝上纖毛致動器做閥門操作時序的實驗。一段時間的操作閥門使得該板的速度最大化。原型機器人成功通過彎曲180度的管道。機器人的速度為11.7毫米/秒，而機器人的直徑是70毫米。而且該機器人通過紙做的軟管時沒有造成任何損壞。

26. THEEND&THANK YOU