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    從“象鼻”獲得靈感 科大自主研發“軟體機器人手臂” “剛柔合一”,開門、擦玻璃、擰瓶蓋等都不在話下

       日期:2021-04-13     來源:合肥報業全媒體    作者:阿芬     評論:0    
      大象的鼻子柔順靈活又很有力氣。受象鼻啟發,中國科大陳小平研究團隊提出了一種蜂巢氣動網絡結構的軟體機器人。這一軟體機器人手臂能輕松完成生活中的多項操縱任務:開門、開抽屜、擦玻璃、擰瓶蓋等都不在話下。

      4月12日,記者從中國科大獲悉,最新一期的機器人頂刊《The International Journal of Robotics Research》簡稱《IJRR》刊發了科大團隊在軟體機器人手臂上的研究進展。由于軟體機器人手臂具有本質柔順性和連續變形特性,在智能制造、醫療康復、家庭服務等領域有著廣泛的應用前景。



      【厲害】

      不需精確建模機器人能輕松開門、擰瓶蓋

      如今在不少生活和生產場景中都有了機器人的身影,人們常見的機器人是鋼鐵結構的“剛性機器人”。

      在最新一期的《IJRR》中,陳小平研究團隊展示一款“軟體機器人手臂”,能輕松完成生活中多項操縱任務,展示出了一種全新的機器人與環境交互的方式。

      這一“軟體機器人”與“剛性機器人”有何不同?在一段視頻中,記者看到,“軟體機器人手臂”可以靈活地握住門把手,輕松把門拉開。

      該研究團隊介紹,讓“剛性機器人”執行開門任務并不簡單,為了完成這一任務,需要精確的感知、建模、規劃和控制等。一旦中間任何一環出現差錯,都可能面臨完不成任務的后果。而得益于被動柔順性,“軟體機器人手臂”在跟環境交互的時候,不需要提前對環境進行精確建模,也不需要力傳感器精確的感知環境接觸力,即使執行任務過程中被人為“搗亂”也不影響完成任務。“就像開門對于人來說很容易一樣,抓住門把手,向下壓,再往后一拉就行了。”該團隊介紹。

      除了輕松開門外,“軟體機器人”還能執行生活中的多項操縱任務。比如說,開抽屜、擦玻璃、擰瓶蓋都不在話下。

      【創新】

      研發靈感來自“象鼻” 靈活且有力

      從外形上來看,陳小平團隊研發的“軟體機器人手臂”與大象鼻子相似,能夠在執行任務時彎曲和伸長。

      而實事上,這一研發靈感正是來自“象鼻”。受象鼻啟發,研究團隊提出了一種“蜂巢氣動網絡結構”,并基于這種結構,制備了像象鼻一樣靈活度的軟體手臂。“蜂巢氣動網絡結構”是蜂巢和氣囊的結合,當氣囊充氣時,依靠蜂巢的結構形變,產生不同方向的彎曲運動或者伸長運動。

      不僅是靈活,“軟體機器人手臂”還具有大負載能力,目前手臂的負載自重比達到了1:1。

      “目前大多數軟體機器人,像柔性手爪、水下軟體機器人、軟體手術機器人等,使用比較軟的柔性材料作為主體,比如硅膠。”該團隊研發人員介紹,這類軟體機器人通過壓縮流體、記憶合金等方式驅動柔性材料形變從而產生機器人的運動。這種機器人受限于材料特性,很難做到大負載。

      此次科大研發的“軟體機器人手臂”采用“蜂巢氣動網絡結構”,其變形是由構成蜂巢的六邊形的折疊、伸展提供的。這種結構可以用相對比較硬的材料制作軟手臂,讓手臂具有靈活性的同時,兼具大負載能力。

      這一“軟體機器人手臂”的成本高不高?記者了解到,在該研究中,研究者使用3D打印技術制備蜂巢結構,具有成本低、制備簡單、便于維護且很耐用的特點。

      【運用】

      從自然界汲取靈感拓展機器人技術邊界

      在實際操縱中,“軟體機器人手臂”的控制精度往往不如剛性手臂高,如何用軟體手臂完成更加精細的任務呢?

      針對這一問題,研發團隊表示,其實人手臂的精度也不高,往往通過借助工具來完成精細的任務。比如畫一條直線,多數情況下需要借助尺子。在一段視頻中,研究者展示了軟手臂也可以借助尺子畫一條直線。而讓機器人像人一樣使用工具這一想法,為軟體機器人的應用打開了更廣闊的空間。

      目前科大陳小平科研團隊在軟體機器人領域研究了近十年,相關研究先后獲得IEEE ROBIO 2016最佳會議論文獎和哈佛大學軟體機器人挑戰賽第二名。

      談及未來運用,該團隊表示,“接下來將繼續從自然界汲取靈感,開展軟體機器人的相關研究,拓展機器人技術的邊界,爭取讓機器人早日走進千家萬戶”。

      記者 蔣瑜香
     
     
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