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受海马尾部构造启发,中国科学家赋予连续型机器人物理智能,能够共形抓取不

  海马具有马的轮廓,可以正在泅水过程中表现出特别的形态,如拉长鼻子取假装皮肤。灵动卷曲的尾巴使海马成为了不得的海洋生物,可以正在满是阻碍的海草,红树林和珊瑚礁中糊口生涯。

(来历:Pixabay)

  陆续型机器人凭仗其陆续的焦点布局,具有更高的通用性、更大的安全性和更强的适应性,能够适用于救济、微创手术和行星探索的过程中。

  高适应性抓取是接连型机器人取非布局化环境交互的重要途径之一。然而,因为多半接连型机器人具有恒定的布局截面,仅可以取特定曲率的环境举行共形交互。

  相比之下,海马却可以操纵其具有锥度的尾巴,对分歧曲率特点的珊瑚或海藻等开展共形缠绕抓取,以制止因海水涌动而招致姿势失控。

  克日,科学家受海马尾巴的高适应性共形交互本领启示,研制出一款仿生可编程曲率的一连型机器人。该机器人将具有刚柔耦合特征的张拉团体布局取绳索驱动形式相结合,实现了对分歧曲率物体的共形抓取。

(来历:Advanced Intelligent Systems)

  论文以《像海马尾巴一样具有多功能:生物启示可编程陆续型机器人的共形抓取》(Versatile like a seahorse tail:a bio-inspired programmable continuum robot for conformal grasping)为题,揭晓正在Advanced Intelligent Systems上[1]。中山大学进步前辈制作学院吴嘉宁副传授、大连理工大学工程力学系彭水兵传授及英国伦敦南岸大学机械工程取设计系哈米德·拉贾比(Hamed Rajabi)为配合通讯作者。

图|受海马启示的仿生延续型机器人(起原:Advanced Intelligent Systems)

  正在设计接连型机器人的过程中,海马尾巴因具有灵活性、敏捷性和对种种构造物体的共形抓取适应性,被选为开辟鲁棒接连型机器人的模子体系。

  为量化海马尾巴尺寸,研究者以尾巴基部为原点O建树坐标系,将尾巴的纵向和径向设定为X轴和Y轴。

  该延续型机器人由10个不异单位组成,由4根电缆驱动。每一个单位包含2个由2根刚性横杆和2根拉伸弹簧瓜代衔接的方形环层,4根纵向杆被分红2组,根据扭转搭钮衔收到相邻的环层。

  正在机器人设计的过程中,为研讨多少参数对机器人变形后构型的危害,研讨者采纳多体动力学框架设立建设机器人力学模子。正在设立建设起的力学模子体系中,假定纵向和横向杆仅接受压缩力,而弹簧和绳索皆只受拉力的作用。

受海马尾部构造启发,中国科学家赋予连续型机器人物理智能,能够共形抓取不

  以上的理念全是为了对机器人开展有用的模子简化,以便研究者构建力学模子来猜测机器人的变形,进而淘汰模仿过程中的计算复杂性。

图|统一驱动准则下分歧锥度的机器人蜿蜒构型(来历:Advanced Intelligent Systems)

  据介绍,研究者首先依托张拉团体布局构建了一种由10个截面不异单位构成的一连型机器人构型。针对该构型,当收缩绳索1和2,开释绳索3和4时,机器人能够正在YOZ平面绕X轴蜿蜒,由最初的直线状况转变为蜿蜒状况,蜿蜒角度为120.08°。

  然而,经测试,该机器人仅能展现出近似等曲率的蜿蜒变形,致使其可能在差别曲率物体自适应抓取层面会受限定。为了降服这类限定,团队受海马的锥形尾巴启示进一步开辟出新鲜的设计范式,经过调理纵向杆件的长度使机器人展现出特定的锥度。

  为了考证这一设法主意的可行性,研究者设置了5组差别锥度的连气儿型机器人构型(0.01,0.02,…,0.05),顺次开展理论蜿蜒活动阐发,并获得如下的理论研究结果:正在雷同的驱动准则下,差别锥度的连气儿型机器人可以展现出完整差别的蜿蜒构型。

  绳索长度转变对一连型机器人曲率的危害

  别的,考虑驱动绳索长度还多是危害接连型机器人变形特征的重要因素。团队还评价了绳索长度对机器人曲率的详细危害。

图|绳索长度变革对机器人曲率的危害(泉源:Advanced Intelligent Systems)

  正在论文中提到的驱动准则1下,团队将绳索1和2分别从20mm缩短至100mm,获得机器人相应的蜿蜒轮廓,进而获得蜿蜒角度和绳索长度转变的干系。

  为了测试机器人对物体的适形性,研究者还计算了吧每一个单位的蜿蜒曲率,并在此根底上映射出对应的成果。

  结果表明,这类具有物理智能的驱动形式,可以增强持续型机器人对变曲率物体的适应性,战胜抓取时曲率没有婚配的阻碍。

  持续型机器人抓取差别曲率的物体

  正在研讨中,该团队首先探索和演示机器人抓取分歧曲率泡沫球的性能。他们造作出由10个单位构成的锥形接连型机器人。机器人由受微控造器控造的两个机电拉动4根绳索举行驱动。

图|陆续型机器人抓取差别曲率泡沫球(来历:Advanced Intelligent Systems)

  除此之外,研讨者还分别用直径为60、80和100mm的泡沫球展示出机械人在抓取变曲率物体时的共形特征。该项研讨证实:机械人能够经过对曲率的定向编程实现共形抓取。

  为进一步剖析机器人取泡沫球的相互作用,该团队测量出机器人每一个单位的曲率后发明,单位4到单位10的曲率取预期曲率类似。这表明,该驱动计划可以使机器人实现按需共形抓取。

图|仿生一连型机器人拾取水中漂浮物(根源:Advanced Intelligent Systems)

  仿生持续型机器人拾取水中漂浮物的测试结果表明:机器人可以很好地抓取漂浮物体。为了评价机器人的抓取性能,研究者将机器人变形后的轮廓曲率取物体的轮廓曲率开展比拟,并发明预期曲率取机器人预期曲率之间的最大偏差仅为15.32%。

  如斯较好的一致性评释:该机器人具有取已知曲率漂浮物交互的才能,并可能为将来漂浮物收集原位表征手艺给予必然的启示。

  总的来说,课题组的机器人设计方案不但能为高效交互供应有用途径,并且能够根据编程输出曲率为定制连气儿型机器人供应有用解决方案。

  实验还证实连气儿型机器人具有相应的开辟价值,这关键因为:该项手艺可增进收集漂浮污染物的种种原位操纵取表征手艺的进步,为保卫海洋生态之美增砖加瓦。

  将来,该项研讨工作的重点研讨标的目的是正在设计中装备矫捷的传感器,经过实时监测抓取力实现对物体的安稳抓取。


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