科學(xué)家最新研制模擬螳螂靈敏仿生機(jī)械手
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發(fā)表時間:2023-08-17
端起一杯咖啡對一個普通人來說不是什么難事,可近三十年來這對于機(jī)器人來說卻是個棘手的難題。近日,美國哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)的研究者正在研發(fā)一種新的機(jī)械手可以解決這個難題。受到螳螂腿部結(jié)構(gòu)的啟發(fā),工程師們設(shè)計出的機(jī)械手不僅更加靈敏,而且更適用于不會表達(dá)的機(jī)器人。
哈佛大學(xué)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的引領(lǐng)人羅伯特d.豪與耶魯大學(xué)的助理教授亞倫.多拉爾,共同致力于機(jī)械手的研發(fā)。他們認(rèn)為,人類研究機(jī)械手近二三十年時間,但制造出的機(jī)械手很少能夠完成靈巧的動作。在現(xiàn)實(shí)中,機(jī)器人和人類同樣存在一定困難來建立起手和要抓取物體之間的聯(lián)系。人類通過張開手指使其變得柔韌靈活來彌補(bǔ)這種失誤,從而使手指在握住并拿起物體之前能夠沿著物體的邊緣滑動;而應(yīng)對失誤,機(jī)器人技術(shù)研究的傳統(tǒng)方法是使用大量的傳感器、馬達(dá)和控制器,其結(jié)果導(dǎo)致機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜,費(fèi)用昂貴。由于需要大量的計算機(jī)運(yùn)算來完成最簡單的任務(wù),使得這種機(jī)械手動作更加遲緩。如果讓一只機(jī)械手端起一只葡萄酒高腳杯,除非它以蝸牛般的速度,否則在觸碰到酒杯時,在傳感信號傳回計算機(jī)并作出反應(yīng)前,機(jī)械手已經(jīng)將這只酒杯碰翻了。
研究者出人意料的設(shè)計的靈感源于螳螂的腿部結(jié)構(gòu),他們選擇了完全相反的途徑,通過仿生螳螂的腿部結(jié)構(gòu),徹底改造機(jī)械手,讓它自動調(diào)整以適應(yīng)抓取各種形狀的物體。在上世紀(jì)80年代,加州大學(xué)伯克利的羅伯特教授開始研究螳螂如何行走在崎嶇的物體表面。螳螂的大腦很小,羅伯特認(rèn)為它們不可能如此迅速地計算出敏捷的行動。他分析了螳螂腿部的力學(xué)結(jié)構(gòu)和工作原理,研究顯示它們的腿部靈活柔韌,這種結(jié)構(gòu)使得螳螂無需考慮就可自動調(diào)整以適應(yīng)崎嶇的物體表面。羅伯特用彈簧和絞鏈仿制了機(jī)器腿,并制造出一個八條腿的機(jī)器人,以驚人的速度在崎嶇的物體表面行走,而此前從未有過機(jī)器人能達(dá)到如此水平。
羅伯特的研究震驚了機(jī)器人學(xué)界,多拉爾和豪決定通過相似的方法制造出機(jī)械手。如果能選擇合適的彈簧和手指的形狀尺寸,機(jī)械手將可以變得柔韌并可沿著物體的邊緣滑動,以抓取物體,如同人類的端起一個咖啡杯一樣。首先,他們通過電纜和滑輪控制兩個雙連接的塑料手指和一個單獨(dú)的馬達(dá),然后再添加另外一組手指以穩(wěn)定地抓取。盡管只有四指結(jié)構(gòu),最終的機(jī)械手具備了人手的幾項(xiàng)特性。除此之外,機(jī)械手的關(guān)節(jié)能夠張開25度到45度,并且指根部的關(guān)節(jié)比手指關(guān)節(jié)更加靈活。設(shè)計者同樣加裝了傳感器來感測手指觸碰物體和關(guān)節(jié)的角度。雖然機(jī)械手的自動調(diào)整還存在很多小毛病,但傳感器能夠彌補(bǔ)一些大的失誤。
最終這個結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械手能靈巧地完成抓取大多數(shù)物體的任務(wù),它為未來的家用服務(wù)機(jī)器人提供了發(fā)展平臺。研究者將這項(xiàng)技術(shù)同樣應(yīng)用于假肢研究,每個手指的重量不到42.5克是個顯著優(yōu)勢,因?yàn)楹芏啾唤刂呔褪且驗(yàn)榧僦谋恐夭槐愣艞壥褂?。目前,機(jī)械手尚無法熟練抓取鑰匙和餐叉之類的小物件,完成這些靈巧的動作需要加裝額外的馬達(dá),這將增加機(jī)械手的重量和復(fù)雜程度。研究者正在探索一種具有可反向拇指的新構(gòu)造以解決此問題。
近三十年來,人們?yōu)榱烁纳茩C(jī)械手的功能而使其變得更加復(fù)雜,多拉爾和豪的研究成果為機(jī)器人學(xué)界開拓了一個新思路,而這還有很長的路要走。
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