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2021年04月13日
【江淮晨报】从“象鼻”获得灵感 科大自主研发“软体机器人手臂”

“刚柔合一” 开门、擦玻璃、拧瓶盖等都不在话下

大象的鼻子柔顺灵活又很有力气。受象鼻启发,中国科大陈小平研究团队提出了一种蜂巢气动网络结构的软体机器人。这一软体机器人手臂能轻松完成生活中的多项操纵任务:开门、开抽屉、擦玻璃、拧瓶盖等都不在话下。

4月12日,记者从中国科大获悉,最新一期的机器人顶刊《The International Journal of Robotics Research》简称《IJRR》刊发了科大团队在软体机器人手臂上的研究进展。由于软体机器人手臂具有本质柔顺性和连续变形特性,在智能制造、医疗康复,家庭服务等领域有着广泛的应用前景。

厉害

不需精确建模 机器人轻松开门、拧瓶盖

如今在不少生活和生产场景都有了机器人的身影,人们常见的机器人是钢铁结构的“刚性机器人”。

在最新一期的《IJRR》中,陈小平研究团队展示一款“软体机器人手臂”,能轻松完成生活中多项操纵任务,展示出了一种全新的机器人与环境交互的方式。

这一“软体机器人”与“刚性机器人”有何不同?在一段视频中,记者看到,“软体机器人手臂”可以灵活地握住门把手,轻松把门拉开。

该研究团队介绍,让“刚性机器人”执行开门任务并不简单,为了完成这一任务,需要精确的感知、建模、规划和控制等。一旦中间任何一环出现差错,都可能面临完不成任务的后果。而得益于被动柔顺性,“软体机器人手臂”在跟环境交互的时候,不需要提前对环境进行精确建模,也不需要力传感器精确的感知环境接触力,即使执行任务过程中被人为“捣乱”也不影响完成任务。“就像开门对于人来说很容易一样,抓住门把手,向下压,再往后一拉就行了。”该团队介绍。

除了轻松开门外,“软体机器人”还能执行生活中的多项操纵任务。比如说,开抽屉、擦玻璃、拧瓶盖都不在话下。

创新研发灵感来自“象鼻” 灵活且有力

从外形上来看,陈小平团队研发的“软体机器人手臂”与大象鼻子相似,能够在执行任务时弯曲和伸长。

而事实上,这一研发灵感正是来自“象鼻”。受象鼻启发,研究团队提出了一种“蜂巢气动网络结构”,并基于这种结构,制备了像象鼻一样灵活度的软体手臂。“蜂巢气动网络结构”是蜂巢和气囊的结合,当气囊充气时,依靠蜂巢的结构形变,产生不同方向的弯曲运动或者伸长运动。

不仅是灵活,“软体机器人手臂”还具有大负载能力,目前手臂的负载自重比达到了1:1。

“目前大多数软体机器人,像柔性手爪、水下软体机器人、软体手术机器人等,使用比较软的柔性材料作为主体,比如硅胶。”该团队研发人员介绍,这类软体机器人通过压缩流体、记忆合金等方式驱动柔性材料形变从而产生机器人的运动。这种机器人受限于材料特性,很难做到大负载。

此次科大研发的“软体机器人手臂”采用“蜂巢气动网络结构”,其变形是由构成蜂巢的六边形的折叠、伸展提供的。这种结构可以用相对比较硬的材料制作软手臂,让手臂具有灵活性的同时,兼具大负载能力。

这一“软体机器人手臂”的成本高不高?记者了解到,在该研究中,研究者使用3D打印技术制备蜂巢结构,具有成本低、制备简单,便于维护且很耐用的特点。

运用

从自然界汲取灵感 拓展机器人技术边界

受人完成交互任务的启发,研究团队提出了一种基于“行为”的控制方式。“行为”代表着一种运动趋势,以转手轮为例,只需要“向前,向下,向后,向上”这四个行为,就能将手轮转动一圈。

就像教一个孩子开门,只要告诉他“抓住门把手,向下压,再向后拉”一样。研究者提出的基于行为的控制,使得人们可以用相似的方式与机器人交流。

在实际操纵中,“软体机器人手臂”的控制精度往往不如刚性手臂高,如何用软体手臂完成更加精细的任务呢?

针对这一问题,研发团队表示,其实人手臂的精度也不高,往往通过借助工具来完成精细的任务。比如画一条直线,多数情况下需要借助尺子。在一段视频中,研究者展示了软手臂也可以借助尺子画一条直线。而让机器人像人一样使用工具这一想法,为软体机器人的应用打开了更广阔的空间。

目前科大陈小平科研团队在软体机器人领域研究了近十年,相关研究先后获得IEEE ROBIO 2016最佳会议论文奖和哈佛大学软体机器人挑战赛第二名。

谈及未来运用,该团队表示,“接下来团队将继续从自然界汲取灵感,开展软体机器人的相关研究,拓展机器人技术的边界,争取早日让机器人走进千家万户。”

合肥报业全媒体记者 蒋瑜香

《江淮晨报》(2021年4月13日A03版)

http://newspaper.hf365.com/jhcb/pc/content/202104/13/content_242533.html

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