受大自然啟發(fā)的靈活觸手式機器人操縱器
由氣壓驅(qū)動并受大自然啟發(fā)的靈活觸手式機械手，旨在抓握和操縱各種柔軟的物體。圖片來源：王東
如果傳統(tǒng)機器人的機械手不像象鼻、章魚的觸手或人的手指那樣靈活，那么它們在抓握和操縱軟物體時可能會遇到困難。
在《應(yīng)用物理評論》中，中國上海交通大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種受這些生物系統(tǒng)啟發(fā)的多節(jié)段軟機械手。軟機械手基于氣動網(wǎng)，這是氣動驅(qū)動的彈性結(jié)構(gòu)。
這些結(jié)構(gòu)呈觸手狀，由一系列相互連接的內(nèi)部腔室組成，這些腔室可以通過氣動充氣，像氣球一樣吹起來。觸手的一側(cè)非常靈活，而另一側(cè)則更硬。增加腔室的氣壓會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向堅硬的一側(cè)彎曲。
“我們使用可以遵循特定3D空間軌跡的數(shù)學(xué)模型設(shè)計了軟機械手，”作者DongWang說。“我們的軟機械手由多個部分組成，其中每個部分通過選擇不同的腔室方向，顯示出不同的驅(qū)動模式——扭曲、平面內(nèi)彎曲或螺旋驅(qū)動。
“這項工作的關(guān)鍵進步是開發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法，可以在單次加壓時自動設(shè)計匹配復(fù)雜3D軌跡的軟機械手。”
該小組通過改變氣動網(wǎng)結(jié)構(gòu)的幾何、材料和加載參數(shù)，為各種3D軌跡設(shè)計了操縱器。他們能夠進行逆向設(shè)計以創(chuàng)建一個遵循特定軌跡的操縱器。
該設(shè)計方法依賴于比傳統(tǒng)計算模型使用成本低得多的數(shù)學(xué)模型。該小組證實他們的數(shù)學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了行為類似于計算模型的操縱器設(shè)計。他們使用簡單的實驗驗證了他們的結(jié)果。
“要實現(xiàn)所設(shè)計的軟機械手的真正多功能應(yīng)用，還需要做更多的工作，”作者顧國英說。
未來的工作包括將方法擴展到具有多個執(zhí)行器的系統(tǒng)的策略。此外，逆向設(shè)計過程仍然不是全自動的，因為該過程的第一階段需要人工操作員選擇分配給扭曲、彎曲或螺旋變形的曲線區(qū)域。
“我們可以設(shè)想一個自動化系統(tǒng)使用機器學(xué)習(xí)或其他方法來完成這一步，”顧說。
這項工作應(yīng)該應(yīng)用于機器人抓手、可植入和可穿戴設(shè)備以及在不可預(yù)測的地形中移動的機器人。
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