從植物中得到的靈感,創(chuàng)造出可柔性穿梭的機(jī)器人
(文章來源:中國機(jī)器人網(wǎng))
在當(dāng)今的工廠和倉庫中,經(jīng)常看到機(jī)器人在四處亂竄,將物品或工具從一個站點運送到另一個站點。在大多數(shù)情況下,機(jī)器人可以在開放和已知的布局中輕松導(dǎo)航。但要ta們在狹窄的空間里完成任務(wù),比如在雜亂的貨架后面伸手去拿產(chǎn)品,或者繞著汽車的發(fā)動機(jī)零件去擰下機(jī)油蓋,則要困難得多。
現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種機(jī)器人,該機(jī)器人的設(shè)計目的是使鏈狀附件延伸得足夠靈活,以使其能夠扭曲和轉(zhuǎn)動任何必要的配置,同時又具有足夠的剛性以支撐重負(fù)載或施加扭矩以在狹窄的空間中組裝零件。任務(wù)完成后,機(jī)器人可以收回附件,并以不同的長度和形狀再次將其伸出以適應(yīng)下一個任務(wù)??梢詫π碌摹吧L機(jī)器人”進(jìn)行編程,以根據(jù)從“生長尖端”或齒輪箱鎖定并送出的鏈條單元的順序,在不同方向上生長或延伸。
附屬物的設(shè)計靈感來自于植物的生長方式,其中涉及以流化形式將營養(yǎng)物輸送到植物的頂端。在那里,它們被轉(zhuǎn)化為固體材料,以一點一點地產(chǎn)生支撐莖。同樣,機(jī)器人由“生長點”或變速箱組成,該變速箱將松動的互鎖塊鏈拉入盒子。然后,盒子中的齒輪將鏈條單元鎖定在一起,并以剛性附件的形式逐個將鏈條送出。
研究人員于本周在澳門舉行的IEEE國際智能機(jī)器人與系統(tǒng)國際會議(IROS)上介紹了這種受植物啟發(fā)的“生長機(jī)器人”。他們設(shè)想可以將抓取器,攝像頭和其他傳感器安裝到機(jī)器人的變速箱上,從而使其能夠蜿蜒穿過飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)并擰緊松動的螺釘,或者在不干擾周圍庫存組織的情況下,伸手到架子上抓取產(chǎn)品,以及其他任務(wù)。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)教授哈里·阿薩達(dá)(Harry Asada)說:“想想更換車內(nèi)機(jī)油的場景:你打開發(fā)動機(jī)車頂后,必須足夠靈活,使左旋和右轉(zhuǎn),才能到達(dá)機(jī)油濾清器,然后你必須足夠有力,扭轉(zhuǎn)機(jī)油濾清器蓋以去除機(jī)油濾清器蓋?!薄艾F(xiàn)在,我們有了一個可以輕松完成這些任務(wù)的機(jī)器人,”領(lǐng)導(dǎo)這項工作的淺田研二郎實驗室的前研究生閆同喜(Tongxi Yan)說?!八梢栽鲩L,收縮和再次增長為不同的形狀,以適應(yīng)其環(huán)境?!?/p>
該團(tuán)隊還包括麻省理工學(xué)院的研究生Emily Kamienski和訪問學(xué)者Seiichi Teshigawara,他們在會議上介紹了該成果。新機(jī)器人的設(shè)計是Asada解決“最后一只腳問題”工作的一個分支,這是一個工程術(shù)語,指機(jī)器人任務(wù)或探索任務(wù)的最后一步或最后一只腳。雖然機(jī)器人可能會花費大部分時間穿越開闊的空間,但其任務(wù)的最后一步往往可能需要更靈活的導(dǎo)航,以便在更緊密、更復(fù)雜的空間來完成任務(wù)。
工程師們已經(jīng)設(shè)計出各種各樣的概念和原型來解決最后一只腳的問題,包括用柔軟的氣球狀材料制成的機(jī)器人,這些材料能像藤蔓一樣生長,可以擠過狹窄的縫隙。但Asada說,這種軟擴(kuò)展機(jī)器人不夠堅固,不足以支持“末端執(zhí)行器”,或如抓取器、攝像頭和其他傳感器等附加裝置,一旦機(jī)器人已經(jīng)爬到目的地,將是必要的執(zhí)行任務(wù),這些都需要末端執(zhí)行器執(zhí)行。
同樣兼任福特基金會(Ford Foundation)工程學(xué)教授的阿薩達(dá)(Asada)說:“我們的解決方案實際上不是軟性材料的應(yīng)用,而是巧妙地使用剛性材料?!币坏┭芯啃〗M確定了植物生長的一般功能要素,他們就試圖在一個可擴(kuò)展的機(jī)器人中從一般意義上模仿這一點。Asada說:“機(jī)器人的實現(xiàn)過程與真實工廠場景下可能完全不同,但是在某種抽象水平上,它表現(xiàn)出相同的功能?!?/p>
研究人員設(shè)計了一個變速箱來代表機(jī)器人的“正在生長的尖端”,類似于植物的芽,隨著越來越多的營養(yǎng)素流向該部位,尖端將產(chǎn)生更堅硬的莖。在盒子內(nèi),它們裝有齒輪和電動機(jī)系統(tǒng),該系統(tǒng)用于拉起流化的材料,同時彎曲的3D打印塑料單元序列相互連鎖,類似于自行車鏈條。當(dāng)鏈條被送入箱子時,它會轉(zhuǎn)動一個絞盤,絞盤通過第二組電機(jī)將鏈條中的某些單元鎖定到它們的相鄰單元,從而在鏈條被送入箱子時形成一個剛性附件。
研究人員可以對機(jī)器人進(jìn)行編程,以將某些單元鎖定在一起,而其他單元則保持解鎖狀態(tài),以形成特定形狀或在某些方向“生長”。在實驗中,他們能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行編程,以使其繞著障礙物從其基座延伸或擴(kuò)展時轉(zhuǎn)過身。Yan說:“它可以鎖定在不同的地方,以不同的方式彎曲,并具有廣泛的運動范圍?!?/p>
當(dāng)鏈條被鎖定并且是剛性的時候,它的強(qiáng)度足以支撐沉重的一磅重物體。研究人員說,如果將抓取器連接到機(jī)器人不斷增長的尖端或變速箱上,則該機(jī)器人可能會長得足夠長,以在狹窄的空間內(nèi)蜿蜒而行,然后施加足夠的扭矩來松開螺栓或松開蓋子。
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