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隨著科技的高速發(fā)展，近年來各行各業(yè)都能看見機器人的身影，并逐漸改變著人們的生產(chǎn)與生活。其中，大多數(shù)機械臂是由長直管和活動關節(jié)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(jié)（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(shù)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(tài)管和關節(jié)，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(fā)表，題目為“可鍛機器人的設計和工作區(qū)表征”。

圖片來源：倫敦帝國理工學院

據(jù)介紹，該臂可彎曲部分的內(nèi)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(shù)情況下，襟翼可彼此平滑移動，從而可以調(diào)節(jié)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(tǒng)的優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)（如混合系統(tǒng)）都更為復雜，但是可以節(jié)省成本、縮小尺寸、減輕重量，并減少所需的執(zhí)行器（往往是故障點）數(shù)量。

研究人員指出，大多數(shù)串行機器人手臂具有6個或更多的自由度（DoF）（通常是旋轉(zhuǎn)關節(jié)），但執(zhí)行任務通常僅需2個或3個自由度。能夠?qū)崿F(xiàn)靈活性和適應任務但保持低自由度系統(tǒng)的簡單機械臂，以及快速開發(fā)用于醫(yī)療應用的可變剛度連續(xù)體機器人，啟發(fā)了他們發(fā)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(yōu)勢，哪些潛在的應用程序可以利用這些優(yōu)勢？可延展的機器人能夠完成多個傳統(tǒng)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(jié)，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(jié)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(jié)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(tǒng)的萬向節(jié)之間的剛性鏈節(jié)相比，使用可延展鏈節(jié)的缺點是可延展鏈節(jié)的最大剛度比等效的實心鋼制剛性鏈節(jié)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(chuàng)建了現(xiàn)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(chǎn)生皺紋，因此可能無法在整個可延展鏈節(jié)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(chǎn)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(tǒng)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(jié)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(zhí)行器（抓爪）。理想情況下，研究人員希望開發(fā)出一種不再需要使用運動跟蹤攝像機的系統(tǒng)。

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(jīng)證明了許多控制連續(xù)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(jié)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(fā)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(tǒng)，使用戶可以協(xié)作重塑機器人，同時仍然達到機器人系統(tǒng)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(fā)和優(yōu)化提供了許多機會。