- 頭條占地小、質量輕、可彎曲、更靈活的機械手臂2021-07-02 作者：本社報道 | 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語倫敦帝國理工學院REDS實驗室的研究人員，介紹了一種圍繞可鍛結構而不是剛性結構構建的機器人，無需增加額外度數就能提高手臂的通用性和自由度。該設計使得機械臂不再受制于靜態管和關節，而可以重新配置機器人，完全按照所需的方式進行設置，并可以隨時隨地輕松地對其進行更改。
隨著科技的高速發展，近年來各行各業都能看見機器人的身影，并逐漸改變著人們的生產與生活。其中，大多數機械臂是由長直管和活動關節的某種組合構成，因為人類的四肢都是以相同的方式構造的，這是巧妙而高效的設計。通過添加更多的管子和關節（或自由度），可以提高機械臂的多功能性，但代價是復雜度、重量和成本的增加。
倫敦帝國理工學院REDS實驗室的研究人員，介紹了一種圍繞可鍛結構而不是剛性結構構建的機器人，無需增加額外度數就能提高手臂的通用性和自由度。該設計使得機械臂不再受制于靜態管和關節，而可以重新配置機器人，完全按照所需的方式進行設置，并可以隨時隨地輕松地對其進行更改。相關研究成果已在2020年ICRA發表，題目為“可鍛機器人的設計和工作區表征”。
圖片來源：倫敦帝國理工學院
據介紹，該臂可彎曲部分的內部由一層又一層的聚酯薄膜片組成，這些薄片被切成薄片并彼此堆疊，從而使每個薄片與至少11個其他薄片重疊。聚酯薄膜很滑，在大多數情況下，襟翼可彼此平滑移動，從而可以調節手臂的形狀。襟翼被密封在乳膠膜之間，當空氣從膜之間被抽出時，它們相互向下壓使整個結構變硬，將其自身鎖定為您放入的任何形狀。
該系統的優點在于，它是軟機器人和剛性機器人的組合，您可以獲得軟系統的靈活性（物理的和隱喻的），而不必處理所有的控制問題。其機械比任何一種系統（如混合系統）都更為復雜，但是可以節省成本、縮小尺寸、減輕重量，并減少所需的執行器（往往是故障點）數量。
研究人員指出，大多數串行機器人手臂具有6個或更多的自由度（DoF）（通常是旋轉關節），但執行任務通常僅需2個或3個自由度。能夠實現靈活性和適應任務但保持低自由度系統的簡單機械臂，以及快速開發用于醫療應用的可變剛度連續體機器人，啟發了他們發展可延展的機器人的想法。
圖片來源：倫敦帝國理工學院
可延展的機械臂可以通過哪些方式提供獨特的優勢，哪些潛在的應用程序可以利用這些優勢？可延展的機器人能夠完成多個傳統任務，例如拾取和放置或垃圾箱揀選操作，而無需在每個任務中直接使用額外的大量關節，因為可延展的機器人提供了機械臂的靈活性鏈接。
這使得機械手臂外形尺寸更小，包括機器人的重量和占地面積，以及由于更少的關節構成而降低了動力需求和機器人成本，同時又不犧牲適應性。這使得該機器人成為任何至關重要場景的理想選擇，例如在太空機器人中（節省的每1公斤都是至關重要的）或在康復機器人中，降低成本以促進采用。
與傳統的萬向節之間的剛性鏈節相比，使用可延展鏈節的缺點是可延展鏈節的最大剛度比等效的實心鋼制剛性鏈節要弱得多，這是重點關注的領域之一，因為這將影響機器人運動精度和準確性。
基于此，研究人員創建了現有最大的可變剛度連桿，長度約為800毫米，直徑為50毫米，適用于延展性機器人及中小型工作空間。目前，對這種精度的評估結果是較為理想的，但是由于在封裝膜彎曲時會產生皺紋，因此可能無法在整個可延展鏈節上獲得均勻的剛度。正如SCARA拓撲結果所證明的那樣，這可能會產生輕微的結構變化，從而導致精度的降低。
機器人有什么辦法知道自己的形狀嗎？潛在地，該系統可以以某種方式重新配置自身嗎？當前，研究人員使用運動跟蹤來計算機器人拓撲，并在機器人的關節上放置標記。通過使用距離幾何，可以獲取機器人的正向和反向運動學，用來控制機器人的末端執行器（抓爪）。理想情況下，研究人員希望開發出一種不再需要使用運動跟蹤攝像機的系統。
圖片來源：倫敦帝國理工學院
至于機器人自身的重新配置，研究人員稱其為“固有延展性鏈接”，已經證明了許多控制連續體結構的方法，例如使用正壓或通過肌腱線，但是可以實時確定鏈接的曲率，而不僅僅是關節位置，是解決這一問題的主要障礙。但是，研究人員希望看到可塑性機器人的未來發展可以解決這個問題。
接下來，該研究團隊的主要目標是，完善機器人的運動學以提供一個強大而完整的系統，使用戶可以協作重塑機器人，同時仍然達到機器人系統預期的精度。當前，可延展的機器人研究還是一個嶄新的領域，這為它的進一步開發和優化提供了許多機會。
