（來源：Pixabay）

 

　　連續(xù)型機(jī)器人憑借其連續(xù)的核心結(jié)構(gòu)，具有更高的通用性、更大的安全性和更強(qiáng)的適應(yīng)性，可以用于救援、微創(chuàng)手術(shù)和行星探索的過程中。

 

　　高適應(yīng)性抓取是連續(xù)型機(jī)器人與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境交互的重要途徑之一。然而，由于多數(shù)連續(xù)型機(jī)器人具有恒定的結(jié)構(gòu)截面，僅能夠與特定曲率的環(huán)境進(jìn)行共形交互。

 

　　相比之下，海馬卻能夠利用其具有錐度的尾巴，對不同曲率特征的珊瑚或海藻等進(jìn)行共形纏繞抓取，以避免因海水涌動而導(dǎo)致姿態(tài)失控。

 

　　近日，科學(xué)家受海馬尾巴的高適應(yīng)性共形交互能力啟發(fā)，研制出一款仿生可編程曲率的連續(xù)型機(jī)器人。該機(jī)器人將具有剛?cè)狁詈咸匦缘膹埨w結(jié)構(gòu)與繩索驅(qū)動模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對不同曲率物體的共形抓取。

（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　論文以《像海馬尾巴一樣具有多功能：生物啟發(fā)可編程連續(xù)型機(jī)器人的共形抓取》（Versatile like a seahorse tail：a bio-inspired programmable continuum robot for conformal grasping）為題，發(fā)表在Advanced Intelligent Systems上[1]。中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院吳嘉寧副教授、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系彭海軍教授及英國倫敦南岸大學(xué)機(jī)械工程與設(shè)計系哈米德·拉賈比（Hamed Rajabi）為共同通訊作者。

圖|受海馬啟發(fā)的仿生連續(xù)型機(jī)器人（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　在設(shè)計連續(xù)型機(jī)器人的過程中，海馬尾巴因具有靈活性、敏捷性和對各種結(jié)構(gòu)物體的共形抓取適應(yīng)性，被選為開發(fā)魯棒連續(xù)型機(jī)器人的模型系統(tǒng)。

 

　　為量化海馬尾巴尺寸，研究者以尾巴基部為原點(diǎn)O建立坐標(biāo)系，將尾巴的縱向和徑向設(shè)定為X軸和Y軸。

 

　　該連續(xù)型機(jī)器人由10個相同單元構(gòu)成，由4根電纜驅(qū)動。每個單元包括2個由2根剛性橫桿和2根拉伸彈簧交替連接的方形環(huán)層，4根縱向桿被分成2組，通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接到相鄰的環(huán)層。

 

　　在機(jī)器人設(shè)計的過程中，為研究幾何參數(shù)對機(jī)器人變形后構(gòu)型的影響，研究者采用多體動力學(xué)框架建立機(jī)器人力學(xué)模型。在建立起的力學(xué)模型系統(tǒng)中，假設(shè)縱向和橫向桿僅承受壓縮力，而彈簧和繩索都只受拉力的作用。

 

　　上述的理念都是為了對機(jī)器人進(jìn)行有效的模型簡化，以便研究者構(gòu)建力學(xué)模型來預(yù)測機(jī)器人的變形，從而減少模擬過程中的計算復(fù)雜性。

圖|同一驅(qū)動準(zhǔn)則下不同錐度的機(jī)器人彎曲構(gòu)型（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　據(jù)介紹，研究者首先依托張拉整體結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一種由10個截面相同單元組成的連續(xù)型機(jī)器人構(gòu)型。針對該構(gòu)型，當(dāng)收縮繩索1和2，釋放繩索3和4時，機(jī)器人可以在YOZ平面繞X軸彎曲，從最初的直線狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)，彎曲角度為120.08°。

 

　　然而，經(jīng)測試，該機(jī)器人僅能展現(xiàn)出近似等曲率的彎曲變形，導(dǎo)致其可能在不同曲率物體自適應(yīng)抓取方面會受到限制。為了克服這種限制，團(tuán)隊受海馬的錐形尾巴啟發(fā)進(jìn)一步開發(fā)出新穎的設(shè)計范式，通過調(diào)節(jié)縱向桿件的長度使機(jī)器人展現(xiàn)出特定的錐度。

 

　　為了驗證這一想法的可行性，研究者設(shè)置了5組不同錐度的連續(xù)型機(jī)器人構(gòu)型（0.01，0.02，…，0.05），依次進(jìn)行理論彎曲運(yùn)動分析，并得到如下的理論研究結(jié)果：在相同的驅(qū)動準(zhǔn)則下，不同錐度的連續(xù)型機(jī)器人能夠展現(xiàn)出完全不同的彎曲構(gòu)型。

 

　　繩索長度變化對連續(xù)型機(jī)器人曲率的影響

 

　　此外，考慮到驅(qū)動繩索長度也可能是影響連續(xù)型機(jī)器人變形特性的重要因素。團(tuán)隊還評估了繩索長度對機(jī)器人曲率的具體影響。

圖|繩索長度變化對機(jī)器人曲率的影響（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　在論文中提到的驅(qū)動準(zhǔn)則1下，團(tuán)隊將繩索1和2分別從20mm縮短至100mm，獲得機(jī)器人相應(yīng)的彎曲輪廓，從而得到彎曲角度和繩索長度變化的關(guān)系。

 

　　為了測試機(jī)器人對物體的適形性，研究者還計算了每個單元的彎曲曲率，并在此基礎(chǔ)上映射出對應(yīng)的結(jié)果。

 

　　結(jié)果表明，這種具有物理智能的驅(qū)動模式，能夠加強(qiáng)連續(xù)型機(jī)器人對變曲率物體的適應(yīng)性，克服抓取時曲率不匹配的障礙。

 

　　連續(xù)型機(jī)器人抓取不同曲率的物體

 

　　在研究中，該團(tuán)隊首先探索和演示機(jī)器人抓取不同曲率泡沫球的性能。他們制作出由10個單元組成的錐形連續(xù)型機(jī)器人。機(jī)器人由受微控制器控制的兩個電機(jī)拉動4根繩索進(jìn)行驅(qū)動。

圖|連續(xù)型機(jī)器人抓取不同曲率泡沫球（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　除此之外，研究者還分別用直徑為60、80和100mm的泡沫球展示出機(jī)器人在抓取變曲率物體時的共形特性。該項研究證明：機(jī)器人可以通過對曲率的定向編程實(shí)現(xiàn)共形抓取。

 

　　為進(jìn)一步分析機(jī)器人與泡沫球的相互作用，該團(tuán)隊測量出機(jī)器人每個單元的曲率后發(fā)現(xiàn)，單元4到單元10的曲率與預(yù)期曲率相似。這表明，該驅(qū)動方案能夠使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)按需共形抓取。

圖|仿生連續(xù)型機(jī)器人拾取水中漂浮物（來源：Advanced Intelligent Systems）

 

　　仿生連續(xù)型機(jī)器人拾取水中漂浮物的測試結(jié)果表明：機(jī)器人能夠很好地抓取漂浮物體。為了評價機(jī)器人的抓取性能，研究者將機(jī)器人變形后的輪廓曲率與物體的輪廓曲率進(jìn)行比較，并發(fā)現(xiàn)預(yù)期曲率與機(jī)器人實(shí)際曲率之間的最大誤差僅為15.32%。

 

　　如此良好的一致性表明：該機(jī)器人具有與已知曲率漂浮物交互的能力，并可能為未來漂浮物收集原位表征技術(shù)提供一定的啟發(fā)。

 

　　總的來講，課題組的機(jī)器人設(shè)計方案不僅能為高效交互提供有效途徑，而且可以通過編程輸出曲率為定制連續(xù)型機(jī)器人提供有效解決方案。

 

　　實(shí)驗還證明連續(xù)型機(jī)器人具有相應(yīng)的開發(fā)價值，這主要由于：該項技術(shù)可促進(jìn)收集漂浮污染物的各種原位操作與表征技術(shù)的發(fā)展，為守護(hù)海洋生態(tài)之美添磚加瓦。

 

　　未來，該項研究工作的重點(diǎn)研究方向是在設(shè)計中配備靈活的傳感器，通過實(shí)時監(jiān)測抓取力實(shí)現(xiàn)對物體的牢固抓取。