海馬具有馬的輪廓,可以正在泅水過程中表現(xiàn)出特別的形態(tài),如拉長(zhǎng)鼻子取假裝皮膚。靈動(dòng)卷曲的尾巴使海馬成為了不得的海洋生物,可以正在滿是阻礙的海草,紅樹林和珊瑚礁中糊口生涯。
(來歷:Pixabay)
陸續(xù)型機(jī)器人憑仗其陸續(xù)的焦點(diǎn)布局,具有更高的通用性、更大的安全性和更強(qiáng)的適應(yīng)性,能夠適用于救濟(jì)、微創(chuàng)手術(shù)和行星探索的過程中。
高適應(yīng)性抓取是接連型機(jī)器人取非布局化環(huán)境交互的重要途徑之一。然而,因?yàn)槎喟虢舆B型機(jī)器人具有恒定的布局截面,僅可以取特定曲率的環(huán)境舉行共形交互。
相比之下,海馬卻可以操縱其具有錐度的尾巴,對(duì)分歧曲率特點(diǎn)的珊瑚或海藻等開展共形纏繞抓取,以制止因海水涌動(dòng)而招致姿勢(shì)失控。
克日,科學(xué)家受海馬尾巴的高適應(yīng)性共形交互本領(lǐng)啟示,研制出一款仿生可編程曲率的一連型機(jī)器人。該機(jī)器人將具有剛?cè)狁詈咸卣鞯膹埨瓐F(tuán)體布局取繩索驅(qū)動(dòng)形式相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)分歧曲率物體的共形抓取。
(來歷:Advanced Intelligent Systems)
論文以《像海馬尾巴一樣具有多功能:生物啟示可編程陸續(xù)型機(jī)器人的共形抓取》(Versatile like a seahorse tail:a bio-inspired programmable continuum robot for conformal grasping)為題,揭曉正在Advanced Intelligent Systems上[1]。中山大學(xué)進(jìn)步前輩制作學(xué)院吳嘉寧副傳授、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系彭水兵傳授及英國(guó)倫敦南岸大學(xué)機(jī)械工程取設(shè)計(jì)系哈米德·拉賈比(Hamed Rajabi)為配合通訊作者。
圖|受海馬啟示的仿生延續(xù)型機(jī)器人(起原:Advanced Intelligent Systems)
正在設(shè)計(jì)接連型機(jī)器人的過程中,海馬尾巴因具有靈活性、敏捷性和對(duì)種種構(gòu)造物體的共形抓取適應(yīng)性,被選為開辟魯棒接連型機(jī)器人的模子體系。
為量化海馬尾巴尺寸,研究者以尾巴基部為原點(diǎn)O建樹坐標(biāo)系,將尾巴的縱向和徑向設(shè)定為X軸和Y軸。
該延續(xù)型機(jī)器人由10個(gè)不異單位組成,由4根電纜驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)單位包含2個(gè)由2根剛性橫桿和2根拉伸彈簧瓜代銜接的方形環(huán)層,4根縱向桿被分紅2組,根據(jù)扭轉(zhuǎn)搭鈕銜收到相鄰的環(huán)層。
正在機(jī)器人設(shè)計(jì)的過程中,為研討多少參數(shù)對(duì)機(jī)器人變形后構(gòu)型的危害,研討者采納多體動(dòng)力學(xué)框架設(shè)立建設(shè)機(jī)器人力學(xué)模子。正在設(shè)立建設(shè)起的力學(xué)模子體系中,假定縱向和橫向桿僅接受壓縮力,而彈簧和繩索皆只受拉力的作用。

以上的理念全是為了對(duì)機(jī)器人開展有用的模子簡(jiǎn)化,以便研究者構(gòu)建力學(xué)模子來猜測(cè)機(jī)器人的變形,進(jìn)而淘汰模仿過程中的計(jì)算復(fù)雜性。
圖|統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)則下分歧錐度的機(jī)器人蜿蜒構(gòu)型(來歷:Advanced Intelligent Systems)
據(jù)介紹,研究者首先依托張拉團(tuán)體布局構(gòu)建了一種由10個(gè)截面不異單位構(gòu)成的一連型機(jī)器人構(gòu)型。針對(duì)該構(gòu)型,當(dāng)收縮繩索1和2,開釋繩索3和4時(shí),機(jī)器人能夠正在YOZ平面繞X軸蜿蜒,由最初的直線狀況轉(zhuǎn)變?yōu)轵暄褷顩r,蜿蜒角度為120.08°。
然而,經(jīng)測(cè)試,該機(jī)器人僅能展現(xiàn)出近似等曲率的蜿蜒變形,致使其可能在差別曲率物體自適應(yīng)抓取層面會(huì)受限定。為了降服這類限定,團(tuán)隊(duì)受海馬的錐形尾巴啟示進(jìn)一步開辟出新鮮的設(shè)計(jì)范式,經(jīng)過調(diào)理縱向桿件的長(zhǎng)度使機(jī)器人展現(xiàn)出特定的錐度。
為了考證這一設(shè)法主意的可行性,研究者設(shè)置了5組差別錐度的連氣兒型機(jī)器人構(gòu)型(0.01,0.02,…,0.05),順次開展理論蜿蜒活動(dòng)闡發(fā),并獲得如下的理論研究結(jié)果:正在雷同的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)則下,差別錐度的連氣兒型機(jī)器人可以展現(xiàn)出完整差別的蜿蜒構(gòu)型。
繩索長(zhǎng)度轉(zhuǎn)變對(duì)一連型機(jī)器人曲率的危害
別的,考慮驅(qū)動(dòng)繩索長(zhǎng)度還多是危害接連型機(jī)器人變形特征的重要因素。團(tuán)隊(duì)還評(píng)價(jià)了繩索長(zhǎng)度對(duì)機(jī)器人曲率的詳細(xì)危害。
圖|繩索長(zhǎng)度變革對(duì)機(jī)器人曲率的危害(泉源:Advanced Intelligent Systems)
正在論文中提到的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)則1下,團(tuán)隊(duì)將繩索1和2分別從20mm縮短至100mm,獲得機(jī)器人相應(yīng)的蜿蜒輪廓,進(jìn)而獲得蜿蜒角度和繩索長(zhǎng)度轉(zhuǎn)變的干系。
為了測(cè)試機(jī)器人對(duì)物體的適形性,研究者還計(jì)算了吧每一個(gè)單位的蜿蜒曲率,并在此根底上映射出對(duì)應(yīng)的成果。
結(jié)果表明,這類具有物理智能的驅(qū)動(dòng)形式,可以增強(qiáng)持續(xù)型機(jī)器人對(duì)變曲率物體的適應(yīng)性,戰(zhàn)勝抓取時(shí)曲率沒有婚配的阻礙。
持續(xù)型機(jī)器人抓取差別曲率的物體
正在研討中,該團(tuán)隊(duì)首先探索和演示機(jī)器人抓取分歧曲率泡沫球的性能。他們?cè)熳鞒鲇?0個(gè)單位構(gòu)成的錐形接連型機(jī)器人。機(jī)器人由受微控造器控造的兩個(gè)機(jī)電拉動(dòng)4根繩索舉行驅(qū)動(dòng)。
圖|陸續(xù)型機(jī)器人抓取差別曲率泡沫球(來歷:Advanced Intelligent Systems)
除此之外,研討者還分別用直徑為60、80和100mm的泡沫球展示出機(jī)械人在抓取變曲率物體時(shí)的共形特征。該項(xiàng)研討證實(shí):機(jī)械人能夠經(jīng)過對(duì)曲率的定向編程實(shí)現(xiàn)共形抓取。
為進(jìn)一步剖析機(jī)器人取泡沫球的相互作用,該團(tuán)隊(duì)測(cè)量出機(jī)器人每一個(gè)單位的曲率后發(fā)明,單位4到單位10的曲率取預(yù)期曲率類似。這表明,該驅(qū)動(dòng)計(jì)劃可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)按需共形抓取。
圖|仿生一連型機(jī)器人拾取水中漂浮物(根源:Advanced Intelligent Systems)
仿生持續(xù)型機(jī)器人拾取水中漂浮物的測(cè)試結(jié)果表明:機(jī)器人可以很好地抓取漂浮物體。為了評(píng)價(jià)機(jī)器人的抓取性能,研究者將機(jī)器人變形后的輪廓曲率取物體的輪廓曲率開展比擬,并發(fā)明預(yù)期曲率取機(jī)器人預(yù)期曲率之間的最大偏差僅為15.32%。
如斯較好的一致性評(píng)釋:該機(jī)器人具有取已知曲率漂浮物交互的才能,并可能為將來漂浮物收集原位表征手藝給予必然的啟示。
總的來說,課題組的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案不但能為高效交互供應(yīng)有用途徑,并且能夠根據(jù)編程輸出曲率為定制連氣兒型機(jī)器人供應(yīng)有用解決方案。
實(shí)驗(yàn)還證實(shí)連氣兒型機(jī)器人具有相應(yīng)的開辟價(jià)值,這關(guān)鍵因?yàn)椋涸擁?xiàng)手藝可增進(jìn)收集漂浮污染物的種種原位操縱取表征手藝的進(jìn)步,為保衛(wèi)海洋生態(tài)之美增磚加瓦。
將來,該項(xiàng)研討工作的重點(diǎn)研討標(biāo)的目的是正在設(shè)計(jì)中裝備矯捷的傳感器,經(jīng)過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抓取力實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的安穩(wěn)抓取。