斯坦福大学造了一台巨型柔性机器人,还能随意变形

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2020年4月15日 17时17分

原作者:Evan Ackerman

文章来源:IEEE Spectrum

编译/字幕组:沈永强

 

斯坦福大学造了一台巨型柔性机器人,还能随意变形插图

(图源:Farrin Abbott)

 

我们非常喜欢柔性机器人,它们当中的绝大部分都是通过气动或者液压进行操作,尤其是需要施加很大的力时。这增加了它的结构复杂性,因为气动和液压通常需要在某一部位装上泵来让流体流动,所以我们常常看到那些柔性机器人都会被一个外置的硬性动力装置所束缚。这样子的设计其实并没有什么错,你仍然可以通过这样的设计来完成很多任务,并且随着新兴技术不断发展,可能会能够制造出柔性的泵或者充气泵。

 

斯坦福大学的研究人员已经研发出了一款新型的(主体为)柔性机器人,该机器人由一套顺应性的充气管组成。它的大小接近人类身高,可以自由移动并且不需要泵或者缆绳,同时它的安全性与大型机器人差不多,甚至还会打一点篮球。

 

斯坦福大学造了一台巨型柔性机器人,还能随意变形插图(1)

(图源:斯坦福大学/Science Robotics)

 

斯坦福大学的这款柔性机器人由一组相同的机械辊模组组成,这些模组安装在充气的织物管(A)上,织物管被辊夹在中间,从而形成有效的衔接(B),通过驱动这些辊,可以改变织物管的位置。这些辊模组由三自由度万向节在节点处相互连接,该三自由度万向节由U型夹组成,连接两根杆,每根杆均可以绕轴(D)自由旋转。机器人通过滚动步态可以自由地在户外移动。

 

这个东西看起来很像NASA Ames一直在研究的那款张拉机器人(Tensegrity robot),听说它正在由Squishy Robotics进行商业化推广?希望能够成功吧。不过,斯坦福大学的这一款柔性机器人从技术上来看,并不属于张拉机器人,因为它没有使用承受拉力的结构部件,比如电缆。研究人员称这款机器人为“等周机器人(isoperimetric)”,因为虽然结构中的离散部分的长度可能会发生变化,但是所有部件的总长度却能保持不变。这意味着它在结构上与张拉机器人有着一定的一致性,这也正是它吸引人的地方。

 

尽管斯坦福这款机器人的顺应性是因为它是由充气的织物管构成的类似桁架的结构,但是它主要依靠可动的驱动模组来移动。这些模组通过两个圆柱形的辊夹住织物管,但又不会完全夹紧密封,通过辊来让模组沿着织物管的方向前后移动,让一根织物管变长而另一根变短,由此实现移动。虽然这还是只一个自由度,但是整个机器人中的每一根织物管都有独立控制的辊模组,这就能够让它实现一些复杂的动作,例如明显的形状变化、移动甚至是物体抓取。

 

这样的设计有很多的优点,你可以让它拥有气动机器人的所有优点,包括顺应性、灵活性、可折叠、耐用度高以及高比强度。并且不需要反复充放气,因为它内部的空气总量始终保持恒定。每个三角形模块都是独立的(由一根织物管以及两个主动辊模组和一个被动锚定模组组成),它能够很容易地与类似的模块进行组合使用。下面的视频中展示的一个“八面体”,但是你可以通过增减模块来搭建出不同形状、具有不同功能的机器人。

 

 

正如研究人员今天在Science Robotics上发表的论文所推测,因为这款机器人的设计思路就是模块化,因此它会有各种各样的潜在应用方向:

 

具备顺应性并且可变形的机器人适合于参与到人类的多项任务中。例如,机器人可以和工人并肩工作,帮助工人扶好螺栓,让工人更加便捷地安装。在教室里,它可以成为极具潜力的教学工具,学生们可以用一套硬件集合来创造出许多不同的机器人,并与机器人进行物理交互。通过加装大量的辊模组,该机器人可以充当自由形状显示器,像高刷新率的3D打印机一样能够动态地改变形状。将触敏纤维结合其中,可以让用户能够体验触敏显示器的交互方式。

 

总的来说,这样模块化的设计允许使用相同的硬件来搭建不同的机器人——相同的辊模组可以连接不同的织物管,如果用户需要机器人穿过狭长的通道,则可以组装成链状机器人;如果是需要一个移动机器人,则可以重新组装成球形。

 

斯坦福大学造了一台巨型柔性机器人,还能随意变形插图(2)

(图源:Farrin Abbott)

 

我们也必须要指出,因为使用了辊模组,所以该机器人实际上只是“半”软的。因此你可能会认为它并不比那些迁入了刚性组件(例如电池和泵)的液压或气动机器人好到哪里去。研究人员所描述的“它对人类十分安全”也可能是有些夸张,因为它确实有一些尖锐的边角。对他们来说,未来的研究重点将是用更柔软、更灵活的组件来代替坚硬的辊模组。

 

本文系古月居编译作品,如需转载请注明出处。

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