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柔韌的結構使機器人手臂更具通用性

大多數機器人手臂是由長直管和驅動關節組合而成。這一點也不奇怪,因為我們的四肢都是以同樣的方式建造的,這是一個聰明而高效的設計。通過增加更多的管和關節(或自由度),可以提高機械手臂的功能性,但代價是復雜性、重量和成本也會增加。

在ICRA,由Nicolas Rojas領導的倫敦帝國理工學院(Imperial College London)的REDS Lab的研究人員介紹了一種機器人的設計方案,這種機器人是圍繞著可延展的結構而不是剛性結構構建的,這樣可以在不增加額外自由度的情況下提高手臂的多功能性。這個想法是,你不再受靜態管道和關節的約束,而是可以重新配置你的機器人,使其完全按照你想要的方式設置,并在你想改變的時候輕松地改變它。

在手臂的可彎曲部分內部是一層又一層的聚酯薄膜,切成片狀,疊放在另一層上,這樣每個皮瓣至少由11個其他皮瓣重疊或重疊。聚酯薄膜足夠滑,在大多數情況下,皮瓣可以平滑地相互移動,幫助調整手臂的形狀。擋板被密封在乳膠膜之間,當空氣從膜之間被抽出來時,它們互相擠壓,使整個結構變得堅硬,無論你把它放在什么形狀,它都會自動鎖定。

這個系統的好處是它是一個軟機器人和剛性機器人的結合,你可以獲得一個軟系統的靈活性(物理和隱喻),而不必擔負其他的控制問題。它在機械上比兩者都復雜(混合動力系統往往如此),但你節省了成本、尺寸和重量,并減少了所需的執行器數量,而執行器往往是容易發生故障的地方。

更多細節,我們(作者,以下簡稱我)通過電子郵件與第一作者Angus B. Clark進行了交流。

IEEE Spectrum:這個想法是從哪里來的?

Angus Clark:可塑性機器人的概念來自于這樣一個認識:大多數串聯機器人手臂有6個或更多自由度(DoF)——通常是旋轉關節,但通常只需要2到3個自由度即可完成任務。機器人手臂的想法,實現靈活性和適應任務,但保持簡單的低自由度系統,以及快速發展的可變剛度連續體機器人的醫療應用,啟發了我們發展可塑性機器人的概念。

有哪些方法可以使可延展的機器人手臂具備獨特的優勢?哪些潛在的應用可以利用這些優勢?

可延展機器人能夠完成多種傳統任務,如揀放或垃圾箱揀選操作,而無需在每個任務中使用額外的關節,因為機器人手臂的靈活性是由可延展連桿提供的。這使得整體尺寸更小,包括機器人的重量和占地面積,以及更低的功率要求和成本,雖然使用了更少的關節,但卻不會犧牲適應性。這使得機器人非常適合于這些因素都很關鍵的場景,例如在太空機器人領域,每節省一公斤的重量都是至關重要的,或者在康復機器人領域,降低成本可以幫助擴大應用。此外,柔性機器人的協作性和軟機器人的特性也使得其可以在工廠中作為協作機器人與人類安全地工作。

“The idea of malleable robots came from the realization that the majority of serial robot arms have 6 or more degrees of freedom (DoF), yet are typically performing tasks that only require 2 or 3 DoF”

—Angus B. Clark, Imperial College London

與傳統的關節間剛性連桿相比,使用可鍛連桿有哪些缺點?

目前,可鍛連桿的最大剛度比等效的實心鋼剛性連桿的最大剛度要小得多,這是影響運動精度和精度的關鍵研究領域之一。我們已經創造了現有最大的可變剛度連桿,長度約為800毫米,直徑為50毫米,適用于中小型工作空間的可塑性機器人。我們目前評估這一精度的結果是好的,但是在整個可鍛鏈環上實現均勻的剛度可能會有問題,因為在封裝膜彎曲時會產生褶皺。正如我們的SCARA topology所證明的,這可能會產生輕微的結構變化,從而導致精度降低。

機器人有辦法知道自己的形狀嗎?有可能,這個系統會以某種方式重新配置自己嗎?

目前,我們使用運動跟蹤來計算機器人的topology結構,并在機器人的關節上放置標記。利用距離幾何學,我們可以得到機器人的正運動學和逆運動學,并以此來控制機器人的末端執行器(夾持器)。理想的情況是,在未來,我們希望開發一個不再需要使用運動跟蹤攝像機的系統。

至于機器人自身的重新配置,我們稱之為“固有的可延展性連接(intrinsic malleable link)”,有許多方法已經被證明可以控制連續體結構,例如使用正壓力或通過鋼筋束線,但是能夠實時確定連接的曲率,而不僅僅是關節位置,是一個需要解決的重大障礙。然而,我們希望看到未來發展的可塑性機器人努力解決這個問題。

你下一步要做什么?

對我們來說,改進機器人的運動學,使之成為一個健壯和完整的系統,允許用戶協作重塑機器人,同時仍能達到機器人系統預期的精度,這是我們目前的主要目標。可塑性機器人是我們引入的一個全新領域,因此為開發和優化提供了許多機會。在未來的幾年里,我們希望看到其他研究人員與我們一起解決這些問題。

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