密歇根大学×上海交大结合研发SPARC，冲破软体机械人天花板！

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在自然界中，很多生物进化出了在复杂三维情况中自若活动的才能。受此启发，机械人范畴逐步从传统刚性结构转向柔性本体研讨。软体机械人凭仗其固有的柔顺性和自顺应粘附才能，在非结构化情况摸索中展现出怪异上风，近年来已有原型机实现了在水平与垂直概况之间的过渡活动。


无缆软体匍匐机械人水平圆管匍匐

但是，现有软体机械人普遍存在活动维度有限、垂直概况负载才能不敷、缺少有用传感反应等题目。虽然刚性机械人的轨迹跟踪与途径计划技术已较为成熟，但软体机械人因材料非线性、建模复杂及传感集成难度大，其切确活动控制仍面临明显应战。今朝基于视觉或融合感知的控制方式，尚没法在复杂轨迹跟踪中兼顾精度与实时性，特别在垂直活动时难以稳定抵消重力影响。

是以，若何开辟可以在水和蔼垂直概况上无缝过渡和切确轨迹跟踪的软体机械人仍然是一个应战。

▍开辟SPARC：实现三维地形活动过渡与切确轨迹跟踪

针对软体机械人当前面临的技术应战，来自密歇根大学与上海交通大学研讨职员组成的研讨团队停止深入研讨，并开辟出一款名为SPARC的软体机械人。该机械人采用怪异的折纸结构设想，可以在平展途径上匍匐并攀爬垂直概况，其移动精度到达凡是只要刚性机械人材能实现的水平。

SPARC是一款柔嫩、本体感受、灵敏的3D攀爬机械人，其攀匍匐动依靠于三个基于Kresling折纸图案设想的气动履行器。这些多少结构在真空压力感化下可猜测地折叠，类似扭曲的手风琴。研讨团队操纵这类可猜测的改变活动，实现了对机械人形状的切确判定，且无需依靠内部传感器。



具体来说，SPARC机械人集成了三个并行排列的3D打印Kresling折纸履行器与吸盘结构，可在多种概况上实现三维驱动与吸附。团队创新性地操纵了Kresling折纸固有的收缩-改变耦合特征，让SPARC实现了实时本体感知和状态重建，并对负载变化表示出杰出的顺应性。为提升轨迹跟踪精度，团队在步态控制器中采用了双闭环控制系统，经过角度编码器实现切确姿势治理，同时连系活动捕捉技术调剂全局定位。在途径计划方面，团队采用的纯追踪算法可以正确跟踪曲线途径，并在急转弯处连结灵活灵活。连系双闭环控制战略与在线途径计划算法，SPARC可以实现切确的姿势控制。

在现实测试中，SPARC展现了在空中与垂直概况之间平稳过渡的才能，并能在垂直平面上承载跨越本身重量两倍的有用载荷（自重210克，负载500克）。得益于三个并联气动Kresling履行器的协同工作，SPARC在三维空间中的实现了60%高幅度收缩、50度曲折性能，以及较高的负载才能。



据研讨团队先容，这项将三维驱动、创新本体感知、活动学建模、鲁棒控制和高效计划战略相连系的工作，使SPARC成为今朝已知首个能在三维地形中停止切确活动计划的软体机械人。前未几，该研讨功效的相关论文已以“SPARC: A Soft这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了, Proprioceptive这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了, Agile Robot for 3D Climbing and Exploration with Precise Trajectory Following”为题，颁发于《Advanced Science》期刊。

▍五大关键：SPARC机械人的研发与设想制造

在复杂三维地形中实现精准活动、重物承载及平面临垂直面的平稳过渡，是软体机械人研发的重要偏向。为告竣这一方针，SPARC软体机械人需具有高幅度高强度收缩、三维曲折及强粘附才能，其焦点技术计划围绕气动折纸履行器设想、本体感受建模、参数优化、活动学分析及步态控制展开，构成了一套完整的研发与考证系统。

SPARC的焦点驱动单元采用基于Kresling折纸设想的气动折纸软体履行器。该设想使履行器在-80kPa负压条件下可实现60%的收缩率，驱动力达3千克，利用寿命跨越20000次循环。这些性能别离源于折纸图案的高展开率、真空驱动方式及高质量3D打印工艺。同时，研发团队创新性地操纵Kresling折纸固有的收缩-改变耦合活动特征，赋予履行器自我感知与实时静态调剂长度的才能。机械人的活动机构由三个线性Kresling履行器并联组成，每个履行器包括六个串联且连结手性的根基单元。单元之间插入刚性支持环以避免六边形横截面变形，确保履行器仅发生纯线性活动。与传统抑制Kresling履行器改变活动的设想分歧，SPARC经过3D打印毗连器将履行器结尾与轴承内环活动耦合，轴承外环则刚性安装在前脚基座上，实现改变变形与整体结构的分手。每个履行器一真个轴承上安装微型角度编码器，在实现纯轴向收缩的同时，可丈量改变角度并转换为履行器长度，集成至传感结构系统中。


Kresling折纸履行器的仿真和SPARC的活动学建模

为实现三维地形粘附与穿越，SPARC装备四个硅胶吸盘作为足部，每个足部采用双吸盘设置以下降变形风险，确保真空粘附时位置与偏向稳定。机械人本体还安装两个丈量标志，为控制系统供给自定位反应。在履行器制造环节，SPARC采用软硬材料组合的3D打印工艺以保障内部收缩均匀、性能分歧并下降野生本钱。履行器软质部分选用TPE材料，其较低的肖氏硬度和较好的活动性有助于削减腔室壁缺点并提升气密性。刚性部件采用PLA材料打印，真空吸盘则由硅橡胶制成。

为将Kresling折纸履行器的本体感受特征利用于活动控制，研发团队经过有限元分析建立履行器长度与改变角度的映照关系，并对3D打印后的TPE样品停止单轴拉伸测试以批改材料特征变化。基于拉伸测试获得的材料参数，操纵计较机帮助工程软件对Kresling折纸室折叠进程展开分析。成果显现履行器长度与自改变角存在明白关联，且最大应力集合于不成折叠六边形的外边沿，与尝试中观察到的疲惫损伤位置分歧。经过特定拟合方式推导的自我感知模子，经尝实考证具有较高牢靠性。

壁厚是影响SPARC气动履行器功用的关键参数。研发团队连系有限元分析仿真与尝试肯定最好壁厚，发现当壁厚低于0.6毫米阈值时，履行器易在尝试中开裂损坏。终极，为确保结构完整性，折纸腔室壁厚选定为0.6毫米。研讨指出，若采用更先辈的制造方式，有望进一步减小壁厚并避免破裂或泄露题目。


SPARC 在复杂情况中的多功用 3D 活动

针对软体机械人建模难度高的题目，SPARC采用在多段持续体机械人范畴普遍利用的分段恒定曲率模子。该模子基于恒定曲率假定的简单性与有用性，将多个恒定曲率段毗连以构建整体活动学模子。在SPARC的逆活动学建模中，当后足吸盘牢固、前足吸盘开释时，模子可建立前足位置与三个履行器长度的关联。基于此模子肯定的活动空间显现，其最大前向步长为30毫米，工作空间呈圆锥体结构，与尝试成果分歧。

匍匐步态设想方面，SPARC的灵感来历于蚯蚓的活动形式。一个完整的向前步态周期包括四个阶段：前足牢固、腔室收缩、后足牢固、腔室伸展。两个步调组成一个完整循环，可鞭策机械人向前移动30毫米。为确保在滑腻概况的牢靠粘附，尝试中采用对吸盘施加预加载向下力的战略，增加吸盘边沿与概况的打仗面积以保障密封结果。

基于上述步态设想与纯追踪控制器，研发团队开辟了SPARC的跟踪控制算法。该算法构建了双环闭环反应控制系统：外环为基于机械人全局位置反应的系统级轨迹跟踪控制，内环为操纵部分结尾履行器角度编码器反应的履行器级控制。尝实考证显现，SPARC在水平面S形曲线、水平面正方形轨迹、垂直面半圆轨迹及垂直面承载500克负载直线活动中，均能完成轨迹跟踪使命，现实位置与理论位置的误差处于较低水平，证实该控制算法具有杰出的稳定性与正确性。

▍才能考证：SPARC的轨迹跟踪与模块化地形顺应测试

为评价SPARC软体机械人在分歧工况下的活动性能，研发团队对其在水平与垂直平面上的轨迹跟踪才能停止了系统测试。

测试场景包括无负载和照顾500克负载（约为机械人自重两倍）两种条件，设想了水平面S形曲线途径、锐角途径，以及垂直面直线途径、曲线途径四种典型测试轨迹。


途径跟踪控制器和尝实考证

尝试成果显现，SPARC可以成功跟踪水平面上的预定轨迹。在直角转弯阶段，由于控制算法首要聚焦于前脚轨迹的精准控制，后脚出现了稍微误差。在垂直平面弧线轨迹跟踪进程中，机械人初始阶段受重力影响发生向下偏移，但经过双闭环控制算法的实时调剂，在后续活动中慢慢批改了轨迹误差。

值得关注的是，在垂直平面直线向上轨迹测试中，SPARC在照顾500克负载的情况下仍能连结稳定的上升活动。量化数据分析表白，SPARC在水平空中活动时相对跟踪误差约为0.5%；在垂直墙壁曲线途径跟踪尝试中，轨迹误差控制在3%之内，这一成果考证了机械人在水平与垂直概况均具有切确自立活动的才能。

为进一步拓展机械人的地形顺应才能，研发团队摸索了多模块组合计划。经过将两个SPARC模块串联，构建了串行设置机械人。理论分析显现，该设置可使机械人最大曲折角度提升至100度，同时最大步长到达单模块的两倍，使其可以实现从空中到正交（90度）墙壁的平稳过渡，冲破了单模块在复杂地形跟尾处的活动限制。


利用串行设置的SPARC 停止空中到墙壁过渡的活动战略和演示

针对串行设置SPARC从空中到墙壁的过渡场景，团队设想了分阶段活动战略。当机械人前脚接近墙壁（间隔≤2厘米）时，过渡法式启动。全部进程分为四个调和步调：首先经过控制后模块下履行器的压力实现向上曲折；随后调理前模块下履行器使全部机械人拱起；接着微调上履行器将前脚压向墙壁并激活吸盘；最初经过履行器收缩将机械人整体牢固在墙面上。

在墙壁攀爬阶段，串行设置SPARC采用了与空中匍匐类似的步态周期道理，但针对垂直情况停止了优化调剂。经过下降特定腔室的负压值，控制履行器的伸展幅度，使机械人头部先向上倾斜再缓慢下降，有用削减了与墙壁的碰撞风险，提升了攀爬进程的平安性和流利度。

这些测试成果考证了SPARC软体机械人在复杂情况中的活动性能和地形顺应才能，为后续在更复杂场景中的利用奠基了根本。多模块组合计划的提出，则进一步拓展了软体机械人在现实工程中的利用潜力。

参考链接：https://doi.org/10.1002/advs.202510382