一只靈巧的“小蟲”牢牢抓住圓管，一伸一縮地向前蜿蜒。其實(shí)這種靈活的“bug”就是采用的一種模式。天津由大學(xué)研究人員左思陽和劉建斌開發(fā)的一種新的模塊化柔性驅(qū)動(dòng)方法可用于人工肌肉和管道爬行機(jī)器人。這項(xiàng)成果于今年1月初在線發(fā)表在美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的《機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》上。
軟機(jī)器人因其高度的靈活性和對人體的安全性，近年來受到廣泛關(guān)注。3D打印的優(yōu)勢在于可以一次性形成復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，無需后續(xù)處理。打印無裝配結(jié)構(gòu)是3D打印技術(shù)在制造柔性機(jī)器人中的典型應(yīng)用。
左思陽、劉建斌課題組提出了一種基于膜缸的新型模塊化柔性驅(qū)動(dòng)方法，可以根據(jù)具體應(yīng)用改變排列組合方式并合理安排連接方案，并將其應(yīng)用于人工肌肉和管道爬行機(jī)器人。
“每個(gè)薄膜圓柱體就像人體的一塊小肌肉或者爬行動(dòng)物的一個(gè)‘關(guān)節(jié)’，只是由熱塑性聚氨酯制成?！眲⒔ū蠼忉屨f，如果把新型膜筒結(jié)構(gòu)比作一個(gè)基本的肌肉單元，根據(jù)不同的應(yīng)用需求組合這些單元的連接方式，就像把肌肉單元連接起來形成一個(gè)整體肌肉，然后應(yīng)用到不同的場景。
整個(gè)“肌肉”的制造過程采用3D打印技術(shù)，一次成型，省去了傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備加工制造中的裝配工序，大大降低了驅(qū)動(dòng)模塊的制造成本和周期，具有低耗氣量、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高可靠性和應(yīng)用場景適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
基于這一思路，課題組首次提出了一種新型氣動(dòng)人工肌肉，可用于驅(qū)動(dòng)柔性外骨骼等人機(jī)交互設(shè)備。氣動(dòng)是指以壓縮空氣為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)機(jī)械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)人工肌肉相比，這種設(shè)計(jì)最突出的特點(diǎn)是不會(huì)在厚度方向膨脹，從而避免擠壓人體。
此外，課題組還提出了一種新型氣動(dòng)管道爬行機(jī)器人，可應(yīng)用于工業(yè)管道設(shè)施的巡檢和實(shí)時(shí)監(jiān)控。管道爬行機(jī)器人采用仿生尺蠖原理，通過巧妙布置薄膜圓柱體單元之間的連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)外壁上的爬行。柔性驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用，使機(jī)器人能夠大范圍適應(yīng)管道直徑的變化，可以應(yīng)對直管、彎管、垂直管、水平管以及各種角度的管道的應(yīng)用場景，機(jī)器人可以承受自身重量的80倍以上。
因?yàn)槭菤鈩?dòng)方式驅(qū)動(dòng)，所以軟體機(jī)器人只能用長長的氣管尾巴工作。如果將傳感器集成到設(shè)備中，可以去掉這些氣管尾巴，使機(jī)器人更加獨(dú)立和精致。