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   编辑部公告
 


“软体机器人”在线论坛会议纪要


《机器人》编辑部在7月15日~8月28日期间组织了“软体机器人”在线论坛,邀请近两年在本刊发文的优秀作者,以在线报告的形式介绍了本团队的最新学术进展。并且,在8月25日的讨论会上,各位报告人就本团队在软体机器人上重点关注的学术问题,进行了热烈的在线讨论,各抒己见,提出了诸如形成软体机器人的理论和技术体系、促进新材料应用于软体机器人制造、用智能学习法解决结构设计中对经验的依赖、面向应用场景开展研究等观点和倡议,反映了我国软体机器人学者的声音。讨论会会议纪要如下:

(点击报告人姓名,可回看报告)


上半场主持人:上海交通大学 王贺升

软体机器人主题的学术研究发展迅猛,可以说代表了机器人学的一个前沿方向。在经过多年发展后,还有哪些关键问题没有解决,或者从哪些角度入手研究更符合未来的发展趋势,希望在这里讨论一下。并且如果方便的话,讲一讲团队下一步的重点研究方向。


北京航空航天大学 文力:

国际上软体学术研究大约经历20余年的发展。最近10年高水平论文呈显著增长趋势,主要涉及到新结构、新材料与新的加工方法(如3D打印)。被探索得比较少的研究方向,恰恰是机器人本身的一些传统问题——建模、控制、机器学习。最近机器人国际学术会议中软体机器人相关议题,都基本集中在这几个“传统”研究方向上。本质上来说,是学术界在探索了很多新材料、新软体结构与加工方法之后,如何使做出来的机器人不再是一个遥控“玩具”,希望能够被应用到一些场合,这是一个必然的发展道路。

除了建模、控制、机器学习等关键问题以外,在结构和材料方面,还有没有新的发展余地?非生命性材料,像有机材料,包括硅胶,智能材料等已有很多研究成果支撑;但类生命材料、生物混合材料等新材料可以助推软体机器人在生物医疗领域的发展,还有待深入挖掘。

我们实验室最近的几个研究方向,例如将软体机器人应用在水下特殊环境,重点放在建模、控制与环境交互方面,进而在软体机器人近海捕捞中,提高机器人的作业效率。二是结构设计。过去生成新的软体机器人结构,往往要依赖于经验。软体机器人的设计如何从经验逐步形成标准,是一个长期的过程。



大连理工大学 彭海军:

我的研究目前聚焦在连续型机器人(一种特殊的软体机器人),主要关注:(1) 如何提高现有连续型机器人的性能。已发表的连续型机器人文献多属于演示性实验,动作速度较慢,和环境交互还不充分,连续型机器人在概念上的优势还没有被充分地发挥。从概念演示到实际场景应用,需要充分挖掘连续型机器人的创新概念设计、动力学建模分析、智能控制方法等等,才能提高现有的性能;(2) 寻找具体明确的、有真正需求的应用场景开展深入研究。目前工业机器人得到广泛成功应用就在于满足了工业领域亟需的任务需求,而连续型机器人在理论上可以说在医疗、救援、探险等特殊领域具有广阔前景。只有进一步挖掘这些场景下的关键技术问题,才能将应用落实。从我们做力学的角度考虑,就会涉及到动力学与控制、甚至材料的一些相关问题。

西安电子科技大学 杜敬利:   

看法和文力老师类似,首先软体机器人的结构、驱动形式多样,没有形成明确的定义。相比现在成熟的工业机器人,基本上还没有统一的结构设计方法。而且从力学建模上也很难下手,尤其是对于特别柔软的基材制作的机器人,力学分析能否发挥出价值,可能还是不太好说。其次,不便在软体机器人上加装传感器,限制了运动精度。像我们研究连续体手术机器人,目前采用了一些间接的方法去预测真正手术时机器人的实际形态,并且提高精度的需求非常迫切。第三,寻找应用场景。第四,认为软体机器人必须是和材料结合在一起的。而实际的团队人才中,材料方面的研究工作、研究者皆不足。



哈尔滨工业大学 樊继壮:

我们这些年是做了一款软体仿蛙跳跃、游泳的两栖机器人。采用软体驱动方案之后,可以把整个结构尺寸做得非常小。遇到的问题一个是驱动器的制造手段还比较传统,3D打印模具+浇注的方法,存在一些诸如材料、后期成形等工艺上的问题。另一个是建模。它的运动学、动力学建模是一个多自由度冗余、非线性的问题,建模效果和理论分析也存在很大的差异。利用模型进行控制的效果不理想,实际上我们还是通过实验的方法建立模型。最后就是目前没有找到很好的传感方法,去检测它的实时控制的关节角度、出力。

驱动上另一个方向是气体燃爆方式。新驱动带来了新问题:(1)可靠性。在经过几次燃爆之后,制动器的可靠性下降严重(包括密闭性、气体燃爆能量输出的性能、材料性能等)。(2)建模,通过理论方法对燃爆气体输出能量进行比较精确的建模(利用能量分析、跳跃高度结合气体混合比的这个体系),感觉目前还是有困难。(3)变形检测,如何进行软体致动器的变形检测,实现致动器更好的姿态控制,目前也是难点。


广东工业大学 管贻生:   

我觉得软体机器人还没有形成一个比较好的理论体系和技术体系。

理论体系上,首先运动学、动力学建模,传感与控制等都在发展中,远不成熟。软体有超冗余和大变形等特点,有无穷多的自由度,无论是微元法、分段法还是整体法,都还不是理想和完善的运动学建模方法。特别是有时候不仅是要描述整体的运动,而且有时候还要刻画软体的局部变形。这种大变形怎么来比较好地描述?这是一个难点,更难的是力学。刚体力学、材料力学、弹性力学、连续体力学、流体力学,还有生物力学,都靠不上,不能直接应用。就是本构方程怎么来比较有效地建立?也没有一个比较完善的模型。还有软体传感与控制等,也都处于开始的摸索阶段。

软体机器人作为一个学科,怎么来构建这个理论体系?国内外基本上连雏形和基本框架都还没有出来。除了上面说的建模与控制,甚至连基本的概念和范畴都需要梳理。举个简单的例子,到底怎么定义软体机器人、怎么分类?比如绳驱动、连续体柔性机器人,结构实现上其实还是传统的方法,驱动和传动与软材料本体并不同,但也能达到软体变形的一个效果,所以有时被视为软体机器人,我认为其实是介于刚体机器人和软体机器人之间。软体机器人更多的是软结构,往往由多种材料组成的各向异性复合体,不完全是各向同性纯软体,是一个刚-柔-软耦合系统……鉴于其复杂性,理论体系的构建也只能一步步来,相信终究会从学科的角度完善起来。尽管具体的科学问题还是太多,但也正因为这样,软体机器人是一片有待研究开发的新天地,对年轻学者来说是学术发展的一个好机会。

技术体系上,目前最受关注的方面有结构、驱动、控制、传感等等。驱动是目前大多数研究者着力的一个问题,方式包括气动、液动、电动,以及智能材料等等,这没有标准、没个统一规范,五花八门,有多样性。根据不同的应用/环境、不同的目标、不同的材料/结构、不同的方法,来研发和应用不同的驱动,这里留下了巨大的探索空间。

软体与刚体机器人常被比较的有几对矛盾,包括灵巧性和精确性、柔软性和负载,是不太可能兼备的,需要折中。针对特定的应用场景,可能用不着精确运动,就发挥其柔软性和灵巧性。另外,软体传感与刚体机器人也不完全相同,要与软体机器人集成,最好要小巧柔软。其实像昆虫等小动物,并没有太多的传感,而且其控制的方式也不是基于大脑(本能或者是试探),但是它肯定有一些感觉,比如说视觉、触觉等等。要真正把软体机器人应用起来,软体传感和智能控制更是任重而道远。

软体机器人的应用,我认为目前有几个比较成功的场景,比如说软体抓持、生物医学和水下操作……对于前面提到的软体研究,我实验室的工作并没有针对具体哪项应用,而是凭着兴趣去探索,先做出来,相信早晚都会用得上。

最后说下能源。能源应该是软体甚至所有机器人都面临的一个瓶颈性的难题,也是制约户外应用的致命问题。户外、空中、水下等应用场景,带缆总是走不远的,那么独立的高密度能源就必须要考虑,这其实也与驱动和传动息息相关。高效可重复性的能量转化可作为一个研发重点,如果在这里有好的突破,那么可期顶刊相见。


上半场小结:上海交通大学 王贺升

前面五位老师的意见其实蛮统一的,我在软体方面做的也是像建模和控制这样的研究,目前软体机器人大部分论文也集中在这一块。尽管目前问题很多很复杂,管老师说的把体系全面地梳理出来很对,至少把现有的列出来,我们都可以贡献一些。

江苏大学 张忠强 

我来自江苏大学机械学院柔性智能机械电子研究院。软体机器人研究面临着三对矛盾的处理:(1)柔和承载,涉及到模型的建立;(2) 软和控制,由于软体机器人自由度多,因此功能的重复性较差,特别是在设计稍有变动的情况下;(3) 专用和公共。软体多来源于仿生,专用性特征明显。具体地,还有传感的难题,人工肌肉可以大变形,但是相应的传感器很难跟着它一起做大变形,耦合起来就会比较困难。

本团队重点方向一是面向农业采摘研制的刚-柔耦合的机械手,主要针对易损伤的农作物,并与农艺(比如葡萄、番茄、蘑菇等农作物农艺技术)相结合,目前刚刚起步。另一个是结合微纳制造与微流控的研究基础,开展从微纳结构、微流控到流固耦合腔体设计与致动方面的研究,最终实现功能化。



意大利技术研究院 李高峰:

我们主要想解决软体机器人中存在的两个矛盾。

(1) 灵活性和可控性。针对软体机器人建模困难、模型不一致等问题,我们团队考虑的是发展无模型控制的方法。目前已经实现了无模型位姿控制方法,未来考虑如何实现对软体机器人的形状控制、力位混合控制等更多方面的无模型控制方法。无模型控制方法降低了对精确模型的依赖程度,但对传感能力提出了更高的要求。如何实现更精确、更实时的传感,也应该是未来的一大研究方向。目前传感可以分为无接触(如视觉等)和有接触(如力/触觉、刚度等)两个不同的层次,特别是后者,目前的传感手段还具有很大的局限性,尤其是在应用到软体机器人领域时,这些传感手段的加入又反过来会影响软体机器人本体的性能。因此,如何设计驱动传感一体化的软体机器人也将会是一个非常有前景的研究领域。

柔顺性和负载能力。针对软体机器人负载能力差的问题,我们团队期望能够在保持软体机器人纤细形态的基础上,开发刚-柔-软耦合的、具有刚度可调机制的软体机器人。针对不同应用场景,探索在什么情况下需要软、什么情况下需要硬,刚柔之间如何转化等一系列问题,开发具有自适应性的、智能化的刚度可调软体机器人。

浙江工业大学 艾青林:

我们课题组是做基于智能机器人技术的钢结构损伤检测。采用弹柔性钢带连接独立驱动的前后车体,可以实现复杂表面钢结构的损伤检测。难点在于钢带形变控制、前后车体运动轨迹跟踪以及前后车体姿态稳定性控制。未来考虑从机器人运动建模、姿态控制方法与策略等方面寻求解决办法。

希望今后结合大型的有工程应用背景的课题,联合各单位相关研究领域与研究方向的专家共同合作。



中科院深圳先进技术研究院 夏泽洋:

在整体概念方面,相比前60年刚体机器人占主流时多从应用与环境的角度(比如工业机器人、服务机器人等)开展工作,建议我们更多的从材料与形态的角度讲软体机器人的故事。这对于拓展软体机器人的应用环境更为有利,也更符合未来的发展趋势。从技术方面,各软体机器人团队各有侧重的学科和关注点,希望不同团队多分享相关领域的成果,更快地促进整体领域的发展。比如软体材料不是我们团队的重点,但却需要相关的信息和支持,希望得到同事们的支持,有一些公用信息和技术平台可用。

建议考虑在学会之下发展软体机器人相关的专委会或学组,借助这样的平台,在软体机器人技术标准、重大项目、重大应用方面做一些更有影响的工作。另外,如果当前形成软体机器人的教材还有难度的话,可以考虑从论文集开始做起。

我们团队主要还是以软体医疗机器人为主,希望能和大家多多合作。

苏州大学 金国庆:

我的研究组主要关注于软体机器人的先进制造技术,特别是专注于搭建各种不同类型的软材料3D打印平台来支撑软体机器人的快速发展。

目前这方向的研究主要存在如下问题:(1)软材料的成型机理,不同黏度和属性的软材料如何成型;(2) 两种软性材料叠加制造时,如何高质量地快速成型;(3) 软-硬材料混合制造时,如何保证打印质量。

我的团队目前已经搭建了各种类型的软材料3D打印机,在硅胶、软材料光固化与软体多材料打印方面已经搭建了一些平台,希望今后有机会与各位软体机器人专家合作,推动软体机器人的发展。


下半场小结:北京航空航天大学 文力

软体机器人从核心技术来讲主要分为4类,驱动与传感、结构材料与加工、建模控制与机器学习、以及各类应用。在这4个方面,可以根据自己的优势来挖掘软体机器人的相关技术,做出自己的贡献。只要势头不减,就会不断地创造出新的成果。

刚提到的大型环境下应用软体机器人,它可能是被忽视的一个很有价值的方向。我们未来也会邀请液态金属、水凝胶等方向的材料学专家撰写一些综述来阐述这些新材料与软体机器人的结合。最后,成立软体专委会一事需要大家共同努力去推动。



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