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工業機器人

【WRC前沿】機器人頂刊IJRR:中國科大自主研發低成本軟體機器人手臂,輕松完成生活中的操縱任務

  2021年04月10日  


 

導讀
  軟體機器人手臂由于具有本質柔順性和連續變形特性,在智能制造、醫療康復,家庭服務等領域有巨大的研究價值和廣泛的應用前景。最新一期的機器人頂刊《The International Journal of Robotics Research》(IJRR)刊發了中國科學技術大學(中國科大)陳小平教授團隊在軟體機器人手臂上的研究進展,展示了軟體機器人手臂在日常生活中的巨大應用潛力。


打開一個門很難嗎?

  讓剛性機器人執行開門任務并不簡單。為了完成這一任務,需要精確的感知,建模,規劃,控制。一旦中間任何一環出現差錯都可能造成不可挽回的后果。

   

  然而開門對于人來說很容易。抓住門把手,向下壓,再往后一拉就行了。

  機器人能否像人一樣輕松地執行生活中的操縱任務呢?

  在最新一期的IJRR中,中國科學技術大學的研究團隊展示了一種使用軟體機器人手臂輕松完成生活中各種任務的方法。這種方法從人執行操縱任務的行為方式中汲取靈感,利用軟體機器人手臂的被動柔順性,展示出了一種全新的機器人與環境交互的方式。

  得益于被動柔順性,軟手臂在跟環境交互的時候,不需要提前對環境進行精確建模,也不需要力傳感器精確的感知環境接觸力,即使執行任務過程中被人為“搗亂”也不影響完成任務。

  不光是開門開抽屜,擦玻璃、開擰瓶蓋都不在話下。以后力氣小的妹子擰不開瓶蓋可以找軟體機器人幫忙了。

  

  

剛柔合一的結構設計

  象鼻是自然界中即柔順靈活又很有力氣的軟體器官。受象鼻啟發,研究團隊提出了一種蜂巢氣動網絡結構。并基于這種結構,制備了像象鼻一樣兼具靈活度和大負載能力的軟體手臂。手臂的負載自重比達到了1:1。

  蜂巢氣動網絡結構是蜂巢和氣囊的結合,當氣囊充氣時,依靠蜂巢的結構形變,產生不同方向的彎曲運動或者伸長運動。

“剛柔合一”的蜂巢氣動網絡結構

  目前大多數軟體機器人(如柔性手爪、水下軟體機器人、軟體手術機器人)使用比較軟的柔性材料作為主體,比如硅膠。這類軟體機器人通過壓縮流體、記憶合金等方式驅動柔性材料形變從而產生機器人的運動。這種機器人受限于材料特性,很難做到大負載。
  


  蜂巢氣動網絡結構,其變形是由構成蜂巢的六邊形的折疊、伸展提供的。這種結構使得我們可以用相對比較硬的材料制做軟手臂,在實現大負載能力的同時,手臂可以沿各個方向彎曲伸長,兼具靈活性。

  在該研究中,研究者使用3D打印技術制備蜂巢結構,成本低,制備簡單,便于維護,且很耐用。

從人執行操縱任務的行為方式中汲取靈感

  受人完成交互任務的啟發,研究團隊提出了一種基于“行為”的控制方式。行為代表著一種運動趨勢,以轉手輪為例,只需要“向前,向下,向后,向上”這四個行為,就能將手輪轉動一圈。

       


  

  就像教一個孩子開門,只要告訴他“抓住門把手,向下壓,再向后拉”一樣。研究者提出的基于行為的控制使得我們可以用相似的方式與機器人溝通。

One more thing

  軟體機器人手臂的控制精度往往不如剛性手臂高,那如何用軟體手臂完成更加精細的任務呢?其實人手臂的精度也不高,往往通過借助工具來完成精細的任務。比如畫一條直線,多數情況下需要借助尺子。研究者展示了軟手臂也可以借助尺子畫一條直線。

  讓機器人像人一樣使用工具這一想法,為軟機器人的應用打開了更廣闊的空間。


  該工作由中國科學技術大學陳小平教授帶領的科研團隊研究完成。團隊成員包括姜皓、王展翅、金渝松、李佩津、干英豪、陳曉彤、林森。該團隊已經在軟體機器人領域研究了近十年,相關研究先后獲得IEEE ROBIO 2016最佳會議論文獎和哈佛大學軟體機器人挑戰賽第二名。團隊成員表示:“接下來團隊將繼續從自然界汲取靈感,開展軟體機器人的相關研究,拓展機器人技術的邊界,爭取早日讓機器人早日走進千家萬戶”。

  來源:機器人大講堂

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