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哈佛基于开源硬件和3D打印的软体机器人,你造吗?
发布时间:2014-12-11
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哈佛基于开源硬件和3D打印的软体机器人,你造吗?
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软体机器人是一个新兴机器人学领域。它是由生物学得到启发,利用柔性、可延展材料制成的结构结合而成的机器人。

神马是软体机器人?

软体机器人是一个新兴机器人学领域。它是由生物学得到启发,利用柔性、可延展材料制成的结构结合而成的机器人。许多动植物都有柔性、弹性的身体结构,以适应它们所处的环境。这些天然生物系统启发我们在软体机器人方面的发展,以此精心设计的零件几何结构使我们能够对复杂动作进行“预编程”处理——即利用了柔性弹性材料本身特性。比起传统刚性机器人来说,柔性材料制成的机械结构,搭配上智能处理使设计者们能简化处理更多复杂的机构和软件控制。而软体机器人天生的适应性是它们在多个领域任务和环境中能发挥所长。比较典型的用处是,它们很适合进行人机交互,帮助人类进行日常活动,处理微创手术等。

那么神马是软体机器人套装呢?

软体机器人套装集合了多个共享资源,用以帮助用户设计、生产、建模、个性化及控制软体机器人设备。套装被设计为教学研究的一部分,由哈佛大学生物设计实验室所主持。套装的最终的目标是拓展软体机器人研究领域,使设计者和研究者们能各自进行对此方面的研究工作。套装包括一块开源流体控制板、描述各方面零件的细节性技术文档(包括电动执行机构和传感器),以及能被下载的用于设计、生产和操作的相关文档。利用低成本原料及日益成熟的快速成型技术(例如3D打印机、激光切割机、数控机床等),这个套装得以将软体机器人零件生产简化且经济下来。

在外壳结构上,软体机器人主要分为三层。

内部遇到压力,软体机器人就会卷曲。

有了它直接就能捏碎酒瓶啦。

这里有一段视频:

看完这些激动人心的片段后,小编来解说一下它的工作原理。

首先是外形材料与结构上的。如果一开始就使用刚性材料,哪怕后续程序做得如何出神入化,机械结构转动多么灵活,都不可能产生那么细腻的动作。要知道,即使是人类本身的皮肉也是柔软的。在这方面,软体机器人采用了布料、纤维、硅胶等廉价轻巧的材料进行制作。而且,使用了模具后,还能快速成型。比起传统机器人来说,生产速度得到加快。在应用方面,它能更好地模仿心脏、肌肉,制作出人工心脏、模拟人手的手套之类的产品,并有着原本模仿样本那样的功能与力量。

接着就是变形原理。因为使用了柔性材料,就不需要关节、螺丝、齿轮这些朋克时代的东东,取而代之的是更加简单的结构——流体压力系统。它的原理就像生日聚会期间人们吹的卷纸那样,只是倒了过来——压力增大时候卷曲,撤销压力时候恢复平整。要做到这一点,就靠外壳结构上设置了不可延展部分。当机器的外环可以延展,而内环不可延展时,在压力的作用下,自然会卷曲起来了。

轮到控制系统。配合机体上数条螺旋分布的管线,只要控制其中数条产生压力,或制造不同管线之间的压力差,就能控制出软体机器人不同的运动姿态。加上压力和动作传感器的帮助,它回馈的信息控制泵、阀门等进行联动,从而实现体感控制之类的功能。附带一提,它所用的传感器也是柔性传感器,软体机器人就不会摸起来有沙粒般硌着的感觉了。

 

那么软体机器人套件中主要部件到底具体有何功能?

 

1.气动弯曲网络驱动器

这是个哈佛大学原创产品。它主要由人造橡胶所构成,里面充满了一系列气囊和通道,在充气放气时产生收缩舒张动作。软体机器人膨胀规模由里面气囊和通道所决定,当不断压缩气体时,它将达到最大尺寸限度值。当然,设计者们可以进行“预编程”——即改变内部排列结构或管壁厚度,以达到自己想要的动作。配合不同材料组合起来,动作种类还可以增多(就是利用了不同材料受力时的膨胀系数不同,中学时候学过的胡克定律f=kx中k的不同导致的结果),产生诸如扭麻花、心机收缩等效果。

 

2.纤维驱动器

这也是哈佛大学原创产品,目的是将橡胶气囊收束限制在一定形状,里层的材料就像气球,当压入气体时,它会尽可能向周围膨胀。而当加上纤维支架后,它只能横向膨胀,不再是毫无目的地延伸。当加上上面提到的不同膨胀系数材料作为底板时,就能产生卷曲扭曲的效果了。

在对比两种驱动功能上,它们各有千秋。动作上,纤维驱动因为结构之间缝隙细密,等于有了类似关节的效果,做出的动作就比较多样,而气动驱动只能完成单一整体的动作,对分段动作无力。但是,制作这样的纤维驱动器工序却比气动驱动器麻烦。同样在3D打印的条件下,后者不需要一小时就能制作完成,而前者却需长达五天,且要动用6个模具。

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3.气动人造肌肉

McKibben气动肌肉早在1950年代已被发明出来,用于医疗矫治用途。重量轻巧,制作容易,自我限制(就是有最大收缩尺寸),还有和人类相似的肌肉弯曲曲线。结构上,在编制而成的网眼中有可膨胀支架或管道,两端都被封住。当内部支架充气膨胀时,外围的结构就能将周围辐射状的膨胀方向收束到线性膨胀方式。

人造肌肉能有最大25%的延展率,有些特殊型号甚至能到40%。尽管设计上它们被用作延伸用途,但实际上用处不大,这容易造成肌肉变形弯曲。(就是机械疲劳了)

 

4.SDM手指

层积成型技术(SDM)是一种快速原型生产方式,它将所有元件在加工件上同时一起装入,使用包括钻洞、镶嵌等工序。在这里,它一次将所有传感器、电机、支撑物等组合成型。这样制作出来的机械手指,拥有广阔的使用领域和动作流畅性,能完成诸如拾起篮球、用钥匙开门之类的动作。

5.介电弹性体致动器

它由电活化聚合物构成。在电场的作用下(比如说两层聚合物之间嵌入电极),这些聚合物产生形变。在作用上,它就像可调电容那样(等于改变了电极正对面积),于是它也被用于产生电能方面。现在它能产生的电能可以点亮LED灯泡。

6.EGaIn传感器

这些传感器利用液态金属(铟镓共晶合金,又称EGaIn)在可变形的微管道内的形变数据工作。在变形时,几何结构的改变将导致其电阻变化。(就是中学物理说过的,导体越粗越短则电阻越小,而液态金属可以变形,具有可塑性。)得到电阻变化的数据,就能计算得知软体机器人形变的状态。

7.TakkTile传感器

TakkTile传感器价格不贵,敏感度高,容易制作,工作原理基于微电子气压计,有一封闭的气室承受到压力而产生信号。它能探知从一到几十克的碰触压力,而且容易嵌套进橡胶结构内。高级的TakkTile传感器甚至能承受高达25磅(11千克左右)的压力。

8.流体控制板

 

软体机器人的流体控制板是开源的,能够控制气动驱动器和纤维驱动器。这个部件主要用于教学用途,使学生们很快能上手控制软体机器人的动作。

控制板包括一个泵(泵入或泵出流体)和一套螺线管阀门(用来开关控制流入系统内的流体)。控制板可手动控制(就是开启开关和阀门)或利用Arduino控制器来自动编程控制。

在视频中可以知道,机械臂通过压力而产生形变,进而得到人类所需的动作,例如抓取、捅、螺旋前进等。弱弱地说一句,蛮适合给做“日用品”的,大人用品店老板应该懂的吧?

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