首页
/
关于软体机器人的起源,具有多运动模式的可变形软体机器人研究
/
软体机器人的起源,具有多运动模式的可变形软体机器人研究

软体机器人的起源,具有多运动模式的可变形软体机器人研究

1年前

1、软体机器人的起源

科学家们从自然界汲取灵感，创造出远比那些传统的金属制同类更加灵活和多功能的机器人。美国哈佛大学的科学家们制造了1种新型柔韧机器人，它的身子非常柔软，可以像蠕虫1样依靠蠕动在非常狭窄的空间里活动。这个哈佛大学科研小组由化学家乔治怀特塞兹(George M. Whitesides)率领，他们从鱿鱼，海星和其它没有坚硬骨骼的动物身上获得启发，研制了1种小型的，有4条腿的橡皮机器人。最近几年，科学家们1直在尝试和1些黏糊糊的，有时候甚至看上去模样古怪的机器人设计概念打交道，他们希望能制造出1种新型机器人，它们将能够钻进那些依靠人力或传统机器人难以企及的地方展开工作，如地震灾区救援或者战场侦察等等。在1份邮件采访中，美国麻省理工学院的机器人专家马修沃尔特(Matthew Walter)说：“这种软体机器人的柔韧性让它们能够得以进入传统机器人无法抵达的狭小空间。” 今年早些时候，1个来自塔夫茨大学的小组展示了由他们开发的1种体长仅10厘米的蠕虫机器人，它采用硅氧橡胶制成，可以爬进1个小球并在里面推动小球向前滚动。而此次哈佛大学的此项研究是在美国国防部的研究资助项目下进行的，有关进展本周1在《美国国家科学院院报》上作了发表。这个软体机器人体长约12.7厘米，制造的过程花费了两个月。其4肢可以各自独立操控，通过人工或计算机自动控制将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动。这让这种新型机器人具备了无法比拟的灵活性，可以自由地在地面爬行或者滑行。研究人员对它进行了柔韧性测试：他们将1块玻璃板置于距离地面不到1.9厘米的高度，并让这个小机器人尝试爬进底下。结果科学家们成功地控制这个机器人15次来回穿过了这个极其狭小的缝隙。并且在大多数情况下，它穿过整个玻璃板底部所花费的时间还不到1分钟。研究人员计划进1步对其速度性能进行改进，不过他们对它没有因为不断发生的热胀冷缩而损坏感到欣慰。哈佛大学的博士后罗伯特谢普赫德(Robert Shepherd)说：“它足够坚强。”他指出这种机器人可以适应各种表面材料并在上面正常运行，包括毛毡，沙砾，泥浆，甚至果冻。不过它也有缺陷：目前机器人必须依靠1条外接电源线供电，科学家们希望找到1种方法能够实现电源内置，如此方能让它投入实际应用之中。塔夫茨大学的神经生物学家巴里特里莫(Barry Trimmer)是该大学蠕虫机器人项目团队成员，他说：“在软体机器人领域还有很多挑战需要面对，对于这些问题的解决没有捷径可走。” 机器人专家卡莫马吉迪(Carmel Majidi)在卡内基梅隆大学领导软体机械实验室，他认为尽管这1成果是基于之前的研究基础，但是仍然极具创新。他说：“这是1种简单的概念，但是看起来他们似乎很好的模拟了自然界的生物运动模式。”。

2、具有多运动模式的可变形软体机器人研究

具有多运动模式的可变形软体机器人研究具有无限自由度和连续变形能力,可在大范围内任意改变自身形状和尺寸的软体动物在自然界中具有极强的适应能力。发展具备类似能力的仿生软体机器人,1直是各国研究人员的目标。作为对仿生机器人研究的延续,仿生软体机器人通过主动变形和被动变形的结合使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性,在军事、科研、医疗等领域具有广泛的应用前景。针对当前仿生软体机器人存在运动模式单1,运动效率和环境适应能力不能有效兼顾的问题,本论文以能实现3种运动模式的仿生软体机器人为研究对象,围绕着仿生软体机器人3种运动模式的实现机制,开展了仿生软体机器人多运动模式实现原理研究,仿生软体机器人整体结构设计研究,仿生软体机器人运动特性研究以及内嵌SMA丝的平板弯曲驱动器动态特性研究等工作。论文的主要研究内容和成果如下： (1)通过分析自然界中各种软体动物的运动特点,在已有研究工作的基础上,结合形状记忆合金的特性,设计了1种将滚动运动、蠕动运动和Ω型运动方式集合在1起的可变形仿生软体机器人。在平坦路面上,通过自身的柔性变形推动仿生软体机器人向前滚动运动,以提高其运动速度和运动效率；在通过狭小空间时,身体展开采用蠕动运动以提高通过性；而遇到沟壑或者障碍时,身体变形采用Ω型前进提高其越障能力。通过对仿生软体机器人的3种运动模式进行详细的研究,获得了软体机器人实现3种运动模式的运动机理,然后在此基础上完成了软体机器人的总体方案设计。软体机器人采用模块化的设计思想,由运动单元和分离单元组成。每个运动单元包括了偏转单元和蠕动单元,设计了软体机器人的偏转单元和蠕动运动单元以及头尾连接结构。 (2)利用多刚体运动学仿真软件ADAMS对仿生软体机器人两种典型的运动模式,滚动运动和蠕动运动,进行运动学的仿真分析。基于伪刚体模型建立了仿生软体机器人在ADAMS中的滚动仿真模型,通过调整弹簧力的施加时序,使得机器人的滚动达到最优,获得了仿生软体机器人在X轴方向(滚动方向)和Y轴方向(垂直于滚动运动方向)的运动位移和速度曲线图,给出了仿生软体机器人滚动运动的控制策略。建立了软体机器人在ADAMS中的蠕动运动仿真模型,采用微型锯齿结构来模拟仿生刚毛结构和粗糙的地面,获得了软体机器人在X轴方向(蠕动运动方向)上的运动位移和速度曲线图,并分析了运动特性。

3、软体机器人目前的研究方向有哪些?

工业、医疗是未来方向。总体上看，软体机器人是1个非常有前景的研究领域，而其研究据智东西的观察也是从2000年之后才开始的。当前，这1研究正在学术界如火如荼的进行着，这些科学家们试图要创造出1种不同于传统机器人的新型机器人整体。从学术界引申到商业，软体机器人确有其用武之地，1方面，刚性材料的机器人更锋利、更硬，1旦人类误用或误撞了机器，将给人类带来肉体上的伤害，而软体机器人则相对会给人类缓冲时间，不至于使人类受到大的伤害。软体机器陆友瞎人的市场软体机器人更加的灵活，可通过细小的缝隙等。因此，软体机器人在国防方面将有重要作用，替代人类深入到核反应堆等1些列危险区域。另外1个软体机器人潜力较大的市场就是医疗行早空业，软体机器人可凭借其小巧和灵活的特点，帮助告镇人类进行精密的血管、神经组织的手术，减少原来刚性机器人对人体的损伤。