受大象鼻子啟發(fā)的連續(xù)體機(jī)器人

基于獨(dú)立關(guān)節(jié)的傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界任務(wù)中并不總是表現(xiàn)良好，尤其是那些涉及靈巧操作物體的任務(wù)。因此，一些機(jī)器人專家一直在嘗試設(shè)計(jì)連續(xù)體機(jī)器人，即具有無(wú)限自由度和無(wú)固定關(guān)節(jié)數(shù)量的機(jī)器人平臺(tái)。

Continuum機(jī)器人通?；陔娎|或其他可變形部件，它們可以更自由地移動(dòng)并且不受固定關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的限制。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，許多提出的連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)仍然無(wú)法有效地在復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中導(dǎo)航。

中山大學(xué)、大連理工大學(xué)和倫敦南岸大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新的連續(xù)體機(jī)器人，其靈感來(lái)自大象的鼻子。該機(jī)器人在SoftRobotics發(fā)表的一篇論文中介紹，具有可定制的設(shè)計(jì)，可以針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行定制。

“我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的電纜驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體機(jī)器人在變形后總是表現(xiàn)出圓形輪廓，這可能會(huì)阻礙它們與變化曲率環(huán)境的相互作用，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一吳嘉寧告訴TechXplore。“為了克服這一限制，我們?cè)噲D提出一種連續(xù)體機(jī)器人范式，以適應(yīng)具有不同曲率的應(yīng)用場(chǎng)景。”

象鼻自然地分成由假關(guān)節(jié)連接的有限部分。這使得大象能夠更有效地與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境互動(dòng)，例如通過靈活地將它們的軀干擠壓到狹窄的空間或到達(dá)更高的樹枝。

由于其獨(dú)特的構(gòu)造，象鼻不同部分的剛度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)和調(diào)整，以不同的方式彎曲。這最終使大象能夠調(diào)整其軀干的形狀來(lái)處理不同的任務(wù)并夠到各種形狀的物體。

Continuum機(jī)器人配備紅外攝像頭，可檢測(cè)內(nèi)部環(huán)境昏暗的管道。學(xué)分：張等人

“受象鼻運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，我們提出了一種具有可預(yù)編程剛度分布的連續(xù)體機(jī)器人，以解決我們?cè)噲D解決的機(jī)器人技術(shù)問題，”該研究的另一位研究員彭海軍解釋說。“通過調(diào)節(jié)剛度分布，我們的仿生機(jī)器人不僅展示了各種變形模式，而且能夠在不同曲率的管道中移動(dòng)。”

由Wu和他的同事創(chuàng)造的象鼻啟發(fā)機(jī)器人基于3級(jí)張拉整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由多個(gè)彈性元件組成，這些彈性元件均勻分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中。這使研究人員能夠簡(jiǎn)單地通過用具有不同剛度大小的其他彈性元件替換彈性元件來(lái)對(duì)機(jī)器人的局部剛度特性進(jìn)行編程。

“受益于剛度分布的差異，連續(xù)機(jī)器人在相同的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)下表現(xiàn)出不同的機(jī)器人配置，”吳說。“我們的仿生連續(xù)體機(jī)器人不僅能夠與變化曲率的環(huán)境進(jìn)行共形交互，而且能夠通過利用固有的智能來(lái)簡(jiǎn)化所需驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。”

到目前為止，研究人員已經(jīng)使用他們的設(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)由12個(gè)彈性模塊組成的原型機(jī)器人。然后，他們?cè)谝幌盗性囼?yàn)中展示了其變形能力，重點(diǎn)關(guān)注不同的現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景。

“長(zhǎng)期和永無(wú)止境的進(jìn)化導(dǎo)致動(dòng)物展現(xiàn)出驚人的能力，”吳說。“如果我們充分謹(jǐn)慎地觀察它們，我們可能會(huì)為未來(lái)的機(jī)器人系統(tǒng)收獲一系列受生物啟發(fā)的設(shè)計(jì)范例。例如，受象鼻交互行為的啟發(fā)，我們可以提出一個(gè)更靈活的連續(xù)體機(jī)器人來(lái)滿足變曲率環(huán)境中的交互要求。”

未來(lái)，由這組研究人員創(chuàng)建的連續(xù)體機(jī)器人可以幫助在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自動(dòng)執(zhí)行更多現(xiàn)實(shí)世界的任務(wù)，這些任務(wù)很難或不可能使用具有剛性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人來(lái)解決。由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，機(jī)器人還可以通過安裝不同的末端執(zhí)行器(例如夾具和傳感器)同時(shí)支持不同的功能。

“我們現(xiàn)在想開發(fā)用于剛度調(diào)節(jié)的智能策略，通過這種策略可以進(jìn)一步增強(qiáng)連續(xù)體機(jī)器人實(shí)時(shí)探索不可預(yù)測(cè)場(chǎng)景的能力，”Wu補(bǔ)充道。“例如，一些先進(jìn)的材料將用于制造彈簧元件，例如形狀記憶合金(SMA)和介電彈性體(DE)。”