受大象鼻子啟發(fā)的連續(xù)體機(jī)器人

基于獨立關(guān)節(jié)的傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù)雜的現(xiàn)實世界任務(wù)中并不總是表現(xiàn)良好，尤其是那些涉及靈巧操作物體的任務(wù)。因此，一些機(jī)器人專家一直在嘗試設(shè)計連續(xù)體機(jī)器人，即具有無限自由度和無固定關(guān)節(jié)數(shù)量的機(jī)器人平臺。

Continuum機(jī)器人通常基于電纜或其他可變形部件，它們可以更自由地移動并且不受固定關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的限制。盡管有這些優(yōu)勢，許多提出的連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計仍然無法有效地在復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中導(dǎo)航。

中山大學(xué)、大連理工大學(xué)和倫敦南岸大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種新的連續(xù)體機(jī)器人，其靈感來自大象的鼻子。該機(jī)器人在SoftRobotics發(fā)表的一篇論文中介紹，具有可定制的設(shè)計，可以針對不同的應(yīng)用進(jìn)行定制。

“我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的電纜驅(qū)動的連續(xù)體機(jī)器人在變形后總是表現(xiàn)出圓形輪廓，這可能會阻礙它們與變化曲率環(huán)境的相互作用，”進(jìn)行這項研究的研究人員之一吳嘉寧告訴TechXplore。“為了克服這一限制，我們試圖提出一種連續(xù)體機(jī)器人范式，以適應(yīng)具有不同曲率的應(yīng)用場景。”

象鼻自然地分成由假關(guān)節(jié)連接的有限部分。這使得大象能夠更有效地與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境互動，例如通過靈活地將它們的軀干擠壓到狹窄的空間或到達(dá)更高的樹枝。

由于其獨特的構(gòu)造，象鼻不同部分的剛度可以獨立調(diào)節(jié)和調(diào)整，以不同的方式彎曲。這最終使大象能夠調(diào)整其軀干的形狀來處理不同的任務(wù)并夠到各種形狀的物體。

Continuum機(jī)器人配備紅外攝像頭，可檢測內(nèi)部環(huán)境昏暗的管道。學(xué)分：張等人

“受象鼻運動的啟發(fā)，我們提出了一種具有可預(yù)編程剛度分布的連續(xù)體機(jī)器人，以解決我們試圖解決的機(jī)器人技術(shù)問題，”該研究的另一位研究員彭海軍解釋說。“通過調(diào)節(jié)剛度分布，我們的仿生機(jī)器人不僅展示了各種變形模式，而且能夠在不同曲率的管道中移動。”

由Wu和他的同事創(chuàng)造的象鼻啟發(fā)機(jī)器人基于3級張拉整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由多個彈性元件組成，這些彈性元件均勻分布在整個結(jié)構(gòu)中。這使研究人員能夠簡單地通過用具有不同剛度大小的其他彈性元件替換彈性元件來對機(jī)器人的局部剛度特性進(jìn)行編程。

“受益于剛度分布的差異，連續(xù)機(jī)器人在相同的驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)下表現(xiàn)出不同的機(jī)器人配置，”吳說。“我們的仿生連續(xù)體機(jī)器人不僅能夠與變化曲率的環(huán)境進(jìn)行共形交互，而且能夠通過利用固有的智能來簡化所需驅(qū)動和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。”

到目前為止，研究人員已經(jīng)使用他們的設(shè)計創(chuàng)建了一個由12個彈性模塊組成的原型機(jī)器人。然后，他們在一系列試驗中展示了其變形能力，重點關(guān)注不同的現(xiàn)實世界場景。

“長期和永無止境的進(jìn)化導(dǎo)致動物展現(xiàn)出驚人的能力，”吳說。“如果我們充分謹(jǐn)慎地觀察它們，我們可能會為未來的機(jī)器人系統(tǒng)收獲一系列受生物啟發(fā)的設(shè)計范例。例如，受象鼻交互行為的啟發(fā)，我們可以提出一個更靈活的連續(xù)體機(jī)器人來滿足變曲率環(huán)境中的交互要求。”

未來，由這組研究人員創(chuàng)建的連續(xù)體機(jī)器人可以幫助在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自動執(zhí)行更多現(xiàn)實世界的任務(wù)，這些任務(wù)很難或不可能使用具有剛性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人來解決。由于其獨特的設(shè)計，機(jī)器人還可以通過安裝不同的末端執(zhí)行器(例如夾具和傳感器)同時支持不同的功能。

“我們現(xiàn)在想開發(fā)用于剛度調(diào)節(jié)的智能策略，通過這種策略可以進(jìn)一步增強(qiáng)連續(xù)體機(jī)器人實時探索不可預(yù)測場景的能力，”Wu補(bǔ)充道。“例如，一些先進(jìn)的材料將用于制造彈簧元件，例如形狀記憶合金(SMA)和介電彈性體(DE)。”