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2021年04月15日
【市场星报】中国科大自主研发低成本软体机器人手臂

开门、擦玻璃、拧瓶盖……由中国科学技术大学自主研发的软体机器人手臂由于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巨大的研究价值和广泛的应用前景。最新一期的机器人顶刊《The International Journal of Robotics Research》(IJRR)刊发了中国科大陈小平教授团队在软体机器人手臂上的研究进展,展示了软体机器人手臂在日常生活中的巨大应用潜力。

开门擦玻璃拧瓶盖不在话下

让刚性机器人执行开门任务并不简单。陈小平介绍,为了完成这一任务,需要精确的感知、建模、规划、控制,一旦中间任何一环出现差错都可能造成不可挽回的后果。开门对于人来说很容易,抓住门把手,向下压,再往后一拉就行了。而机器人能否像人一样轻松地执行生活中的操纵任务呢?在最新一期的IJRR中,中国科学技术大学的研究团队展示了一种使用软体机器人手臂轻松完成生活中各种任务的方法。这种方法从人执行操纵任务的行为方式中汲取灵感,利用软体机器人手臂的柔顺性,展示出了一种全新的机器人与环境交互的方式。

得益于被动柔顺性,软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。4月14日,陈小平团队向记者视频展示了该机器人的熟练操作,不光是开门、开抽屉,擦玻璃、拧瓶盖都不在话下。

兼具灵活度和大负载能力

象鼻是自然界中既柔顺灵活又很有力气的软体器官。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,制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂。手臂的负载自重比达到了1:1。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。

据了解,目前大多数软体机器人(如柔性手爪、水下软体机器人、软体手术机器人)使用比较软的柔性材料作为主体,比如硅胶。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。

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。这种结构使得我们可以用相对比较硬的材料制作软手臂,在实现大负载能力的同时,手臂可以沿各个方向弯曲伸长,兼具灵活性。在该研究中,研究者使用3D打印技术制备蜂巢结构,成本低,制备简单,便于维护,且很耐用。

从人的行为方式中汲取灵感

陈小平告诉记者,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。软体机器人手臂的控制精度往往不如刚性手臂高,那如何用软体手臂完成更加精细的任务呢?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。研究者展示了软手臂也可以借助尺子画一条直线。

“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,使得我们可以用相似的方式与机器人沟通。”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。团队成员表示:“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。”(记者 于彩丽)

《市场星报》(2021年4月15日07版)

http://www.scxb.com.cn/html/2021-04/15/content_311843.htm

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