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上海交大张文明教授、同济李汶柏研究员 AFM:具有模态重编程功能的分级可重构软机器人
2024-10-21  来源:高分子科技


  可重构软体机器人就像一种柔软的积木,由各种功能模块组成,可以轻松拆卸并重新安装成任何想要的形式。一方面,它具备可重构机器人可重用性、可互换性和可扩展性的优势,减少了重新设计时间,降低了制造成本,并提高了产品的通用性;另一方面,它也继承了软体机器人柔顺、安全的特性,在应对非结构化环境和处理脆弱的目标物时具备显著优势。现有的大多数模块在设计上都有固定的结构和功能,因此当多个模块组成的机器人需要调整时,唯有通过更换不同的模块才能实现重新配置,这对于中间位置的模块替换以及模块线缆的重新规划是十分不友好的。本研究提出了一种分级可重构的策略。这种策略不仅使机器人具备传统模块化方法的优势,即通过模块间的组合来构建不同的机器人(第一层重构);还能通过重编程模块内的弹性引导元件,来提供模块的多种运动模式(第二层重构)。该设计策略克服了以往模块化软体机器人运动模式不可改变的缺陷,将模块化的设计方法提升到了更高的维度,为机器人调整各种构型和功能提供了更多选择。例如,利用模块间的重新配置,可以构造出蠕虫机器人、全向爬行机器人和软体机械手等应用实例,此外,由多个模块串联而成的软体机械臂也能够通过模块运动模式的重编程,来重新设计运动轨迹和工作空间,而不必进行整个模块的更换。该方法显著降低了模块化软体机器人的操作难度和成本。


  分级策略在自然界中十分普遍,比如生物由各种器官组成,而器官又由各种组织组成——这种策略保证了生物体稳定而高效的物质利用。如图1所示,作者将功能单元从软体模块中抽离出来,并简单地划分为了驱动单元和变形引导单元。进一步的,对这些单元进行标准化和通用化设计,使这些单元之间可以相互替换,从而任意改变模块的运动模式。利用这些模块和充分的想象力,可以构建多种多样的机器人,以满足不同的应用需求。


1 分级可重构策略


  为了实现各个功能单元之间的快速安装和拆卸,作者对连接方式进行了统一标准化的设计,大致可以分为榫卯连接和卡扣连接两类,如图2所示。根据不同连接点位之间的受力特点,作者安排了相应的连接方式。例如,榫卯连接能够承受很大的纵向力,但对横向的旋转力承受能力较小,因此可以用于模块间的串联连接,以及驱动单元的连接;而卡扣连接的横向纵向承载能力均较好,因此可以用于模块间的并联连接,以及弹性引导单元的连接。


2 模块及功能单元的连接方式


  模块通过驱动单元的纵向收缩和弹性引导单元的引导来实现不同的运动模式。如,对称分布的弹性梁可以实现模块的收缩;非对称分布的弹性梁可以引导模块的弯曲;而倾斜梁可以实现模块的扭转。为了探究这种引导机制,作者对三种基本的运动模式进行了仿真和实验研究,分别关注了负载以及弹性梁的尺寸参数对驱动性能的影响,如图3所示。仿真结果成功地预测了模块的实际输出效果,为后期的应用提供了一系列设计参数。


3 模块多种运动模式的性能


  利用这些模块,作者构建了不同的机器人。例如,将三个收缩模式的模块串联并阶续控制,可以实现仿照蠕虫在管道内的爬行运动,如图4所示。为这一机器人搭载摄像头,则实现了狭窄管道内的探测;另外,作者还为该蠕虫机器人集成了控制系统和电源,实现了无缆化操作。若将三个收缩模式的模块并联,则得到了一个平面全向移动的机器人,如图5所示。通过单个或两个模块的高频振动,机器人可在平面上向6个方向移动,而这6个方向基向量互相呈60°夹角,可以组成平面上的任意向量,即机器人可以到达平面上的任意点位。这两种机器人只是模块化的简单实例,但只要想象力足够,更多的机器人都将被实现。


4 三模块串联的仿蠕虫机器人


5 三模块并联的平面全向移动机器人


  以上的实例仅应用到了模块的第一层重构,而机械臂运动模式的调整则更需要第二层重构。如图6所示,一个由5个模块串联而成的机械臂,通过其中模块运动模式的重编程,既可以实现跨障碍探查(图6a),也可以实现传递花束这样的人机交互应用(图6c)。那么,仅由5个模块组成的机械臂,经由第二层重构的加持而进化出了无限的可能。


6 分级可重构的机械臂


  相关研究成果以“Hierarchically Reconfigurable Soft Robots with Reprogrammable Multimodal Actuation”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。上海交通大学机械与动力工程学院博士生房付熠为第一作者,上海交通大学张文明教授和同济大学李汶柏研究员为共同通讯作者。此研究工作得到了国家自然科学基金项目(No. 12032015, 12121002, 12002204)、机械系统与振动全国重点实验室项目(MSV202407、中央高校基本科研业务费、上海高校 IV 类高峰学科建设的资助。


  原文链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414279


作者介绍


  通讯作者张文明,上海交通大学机械与动力工程学院特聘教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者。长期从事微机电系统动力学设计、软体智能感驱系统等方面的研究,先后主持包括国家自然科学基金重点项目在内的30余项科研项目,在Science AdvancesNature CommunicationsAdvanced Materials等期刊上发表学术论文280多篇,授权国家发明专利和软件著作权100多项,出版和参编专著5本。


  通讯作者李汶柏,同济大学航空航天与力学学院特聘研究员,博士生导师。主要从事软驱控技术,仿生机器人动力学设计与控制研究,作为第一作者或通讯作者,相关成果已发表在Nature CommunicationsScience Advances, Soft Robotics等国际期刊。


  第一作者房付熠,上海交通大学机械与动力工程学院博士生。研究方向为气动软体机器人力学设计和控制研究,相关成果已发表在The Innovation, Advanced Functional Materials, 《Description》等国内外期刊。


  其他作者上海交通大学陈虎越、郭欣宇博士和孟光教授。
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