新一代柔软有弹性机器款款走来

再见,刚性机器人 新一代柔软有弹性机器款款走来

传感器是机器必不可少的零件之一,它带动了很多机器的发展。近日,在卡内基梅隆大学研发出科伸缩光学传感器,使机器人的灵活性又更上一层。  卡内基梅隆大学的研究人员开发出了一只带有多个3D打印光纤传感器和一个新型的可伸缩光学传感器的的三指软机器人手。这个软机器人手能够检测到低于十分之一牛顿的力。该项目获得了美国宇航局(NASA)的支持。  使用光纤,该研究团队在每个机器人手指里面放置了14个张力传感器,这些机器人手指的设计仿照人类手指的骨骼结构。每根手指的指尖和两根“指骨”都是3D打印的,这几根“指骨”通过关节连接,关节上还覆有一种硅橡胶“皮肤”。这种技术为机器手指提供了确定其指尖接触位置并检测其所经受的微不足道的力量的能力。尽管最新的可伸缩性光学感测材料并没有用在当前版本的机械手上,不过研究人员希望在以后的软机器人皮肤中用到它,以获得更大的反馈。  客观地说,当前常用的压力或力传感器是有问题的。这是因为其中的布线过于复杂,传感器容易断裂。而且他们极容易受到来自电动马达和其它电磁设备的干扰。而使用光纤传感器就没有这些问题,甚至一根光纤都可以包含几个传感器。在这个项目中,其机器人手指上的所有传感器都与4个光纤相连接,并且它们对电磁干扰完全免疫。  研究人员称,他们开发这项技术的目的是为了提高机器人的自主性。“如果你想让机器人自主地工作,并在日常环境中对于各种意想不到的力安全地作出反应,就需要让机器人手上安装比当前常见的水平更多的传感器。”卡耐基梅隆大学机器人学副教授Yong-LaePark称,“仅在人指尖的皮肤中就含有数千个触觉感官单位,而一只蜘蛛的每条腿上都有数百个机械刺激感受器。而在当前最先进的人形机器人——比如NASA的Robonaut——的手和手腕上,仅有42个传感器。”  Park开发的这个机器人手得到了该校机械工程专业学生LeoJiang和KevinLow的帮助。这一装置集成了当前市场上在售的光纤布拉格光栅(FBG)传感器,该传感器通过测量光纤内发射光波长的位移来检测拉力。这种手指是靠一个主动性的腱来弯曲的,同时还靠另外一个被动的弹性腱提供相反的力拉直手指。  新型的可伸缩光学传感器是开发团队希望能够用在下一个版本的机械手上的传感器。因为传统的光学传感器缺乏弹性,众所周知,玻璃纤维几乎无法拉伸,甚至用聚合物制成的光学纤维拉伸通率也只有20%-25%,其使用价值很有限。然而,通过将硅橡胶与一种反光金(reflectivegold)组合起来,研究人员发现当传感器上被施以压力时,会有光能够逸出,这使得他们能够据此测量力的大小。Park认为,这种类型的传感器可以同时感应到接触,并测量力的大小。
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柔软机器人放弃了定义此前一代机器人的骨骼。这些机器没有像骨头或关节之类的部件,能以全新的方式伸展、蜷缩和挤压。

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机械章鱼能像真正的章鱼那样移动。图片来源:Science Museum

2007年,Cecilia
Laschi让父亲为其在意大利里窝那市的海滨实验室抓一只活章鱼。后者以为Laschi疯了:作为消遣性的钓鱼人,他认为章鱼是如此容易被抓住,因此这肯定是一种非常愚蠢的动物。那么,一名同金属和微处理器打交道的机器人学研究者到底想用这种柔软黏糊的头足类动物干什么?

不管怎样,这位老人还是在托斯卡纳海岸抓了一只章鱼,并把它交给在比萨圣安娜高等学校工作的女儿。Laschi和学生将这只动物放在一个盐水水箱中,从而研究它是如何抓到零碎的鳀鱼和螃蟹的。随后,该团队着手建造能模拟这些动作的机器人。

通过一个个原型,他们终于创建了一个带有内部弹簧和电线的人造触手。该设备能以一种活灵活现的方式呈现波浪形状、伸长、收缩、变硬和弯曲。“这是一种完全不同的机器人建造方法。”Laschi说。

过去10年间,这种方法已成为机器人学的重要研究前沿。该领域的科学家和工程师通常受到拥有坚硬骨骼的人类和其他动物的启发,一直致力于研究硬体机器人。这些机器拥有只能围着固定关节弯曲和变直的僵硬四肢,因此其具备的优点是能以数学上可预测的方式移动。不过,它们还要求一丝不苟的程序编写和大量的反馈,以避免撞向其他物体。即便这样,在同人类、新物体打交道,或者处于崎岖的山路和其他无法预测的情形中时,它们的移动也经常变得不稳定,甚至带来危险。

受章鱼、毛毛虫或鱼类等灵活性动物启发而建造的机器人提供了一种解决方法。主要由柔韧或弹性材料建造的柔软机器人能自己改变形状,以适应周围环境,而不需要大量的计算。尽管一些此类机器利用电线或弹簧模拟肌肉和筋腱,但总体上,柔软机器人放弃了定义此前一代机器人的骨骼。这些机器没有像骨头或关节之类的部件,能以全新的方式伸展、蜷缩和挤压。它们可改变形状或大小,环绕物体,甚至比以往任何时候都能更加安全地碰触人类。

如今,全球数百万台工业机器人均源自同一种基本构想。这些由金属结合在一起的机器利用其沉重而僵硬的四肢,在汽车组装线和工业产房中承担着繁重的体力劳动。其速度、力量和盲目的重复都是人类难以企及的。不过,标准机器人要求专业的编程、受到严格控制的条件以及对自身移动的持续反馈,从而精确地知晓何时以及如何移动它们诸多关节中的每一个。同时,它们无法胜任超出编程参数的任务,并且会在无法预测的环境中完全不起作用。大多数机器人必须呆在栅栏后面,以保护它们的人类工友免受无意的伤害。

“想象一下系鞋带有多难。”美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室主任Daniela
Rus介绍说,“这种能力正是我们想让机器人具备的。”