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軟體驅動器的設計方法可以分為兩類：仿生設計方法和形態(tài)學計算方法。與需要大量實驗的仿生設計方法相比，形態(tài)學計算方法可以根據(jù)個性化的設計需求生成創(chuàng)新的結構。現(xiàn)有的形態(tài)學計算方法一般基于拓撲優(yōu)化方法實現(xiàn)，不能直接應用于彎曲型軟體氣動驅動器(SPBA)設計。這是因為SPBA的形態(tài)通常還與所承受的設計有關的壓力載荷相關，其施加的位置取決于具體的內部腔體結構。為解決軟體機器人形態(tài)學計算及優(yōu)化關鍵問題，該研究提出一種基于雙向漸進拓撲結構優(yōu)化法的SPBAs形態(tài)學計算框架。

圖1 目標函數(shù)、末端點豎直位移和體積分數(shù)的演化過程

該優(yōu)化設計框架基于數(shù)值拓撲優(yōu)化方法建立，并將SPBA視為順應性機構，設定的優(yōu)化目標是實現(xiàn)特定加載壓力下的最大彎曲變形和結構剛度。在有限元分析中，設計域中的每個元素根據(jù)靈敏度設置為實體或空腔，其中靈敏度用目標函數(shù)對設計變量的導數(shù)近似逼近。迭代優(yōu)化時，定義壓力作用于可移動的實體邊界表面。通過上述優(yōu)化得到的驅動器拓撲結構結果制作樣機，在無負載實驗中對其性能進行了評估。同時，為驗證該方法的有效性和實用性，設計了具有和不具有應變限制層的矩形實體和圓柱形SPBA，分別得到了使其實現(xiàn)最大彎曲運動的優(yōu)化結果。

圖2 拓撲結構的演化過程

該研究從理論分析角度驗證了廣泛應用的氣動網(wǎng)格式(PneuNets)軟體驅動器的結構合理性。同時，該方法可以改變當前軟體驅動器基于經驗的試錯式結構設計模式，使SPBA設計面向特定的個性化運動需求，并使得研究能夠應用于需要結合結構約束和設計需求的應用領域，如通過更改優(yōu)化目標函數(shù)，可創(chuàng)建用于滿足手部康復運動的非對稱結構SPBA。

形態(tài)學計算是軟體機器人設計亟待解決的關鍵基礎問題。該研究建立了一種基于拓撲優(yōu)化的軟體機器人形態(tài)學計算方法，是首次嘗試使用數(shù)值計算的方法從形態(tài)學計算的角度來設計軟體驅動器。基于拓撲優(yōu)化方法的形態(tài)學計算框架，為滿足特定功能任務的軟體機器人的個性化形態(tài)設計提供了一種解決方法。

轉載自《集成技術》