彈跳超自身10倍，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動新進(jìn)展，受蜘蛛啟發(fā)
2021年7月7日 來源：工業(yè)機(jī)器人 瀏覽 712 次 評論（0）
軟關(guān)節(jié)電動液壓驅(qū)動器為微型機(jī)器人提供更多可能。
據(jù)美國《每日科學(xué)（Science Daily）》報(bào)道，近日，德國馬克斯·普朗克研究所和美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員，利用蜘蛛關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動原理，設(shè)計(jì)出一種新的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置——軟關(guān)節(jié)電動液壓驅(qū)動器（SES）。
機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置是機(jī)器人的動力來源，有液壓式、電磁式等多種類型，電磁式為普遍，之前的液壓式驅(qū)動存在耗能、維護(hù)成本高等問題。新的SES驅(qū)動器可以在關(guān)節(jié)處直接集成，無需笨重的組件和連接器，就可以輕松抓取小巧物體，能和高性能電磁驅(qū)動器表現(xiàn)相媲美，并且耗能很低。
該研究論文題目為《受蜘蛛啟發(fā)的，可用于快速驅(qū)動柔軟關(guān)節(jié)的電動液壓驅(qū)動器（Spider-Inspired Electrohydraulic Actuators for Fast,Soft-Actuated Joints）》，于5月29日發(fā)表在《Advanced Science》上。
一、現(xiàn)有關(guān)節(jié)驅(qū)動策略需加額外組件
在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，科研人員通過在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中融入彈性和柔性設(shè)計(jì)，努力重現(xiàn)自然生物多功能性，特別是學(xué)習(xí)生物可以和不確定、動態(tài)的外部力量或環(huán)境進(jìn)行有效互動的能力。
不像大多數(shù)動物使用拮抗肌來產(chǎn)生運(yùn)動，蜘蛛采取液壓方式進(jìn)行腿部運(yùn)動，具有獨(dú)特優(yōu)勢，這對機(jī)器人關(guān)節(jié)研發(fā)是一個重要的參考案例。
蜘蛛腿關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)通過液壓創(chuàng)建擴(kuò)展。堅(jiān)硬的外骨骼有符合要求的關(guān)節(jié)分割，關(guān)節(jié)的外側(cè)有柔軟的波紋管膜。外骨骼中的空腔中含有蜘蛛的血淋巴，既是蜘蛛的“血液”，也是液壓油。液體由蜘蛛前體的肌肉加壓，關(guān)節(jié)柔軟的波紋管膜在加壓時膨脹，導(dǎo)致腿部伸展。蜘蛛恢復(fù)腿部彎曲則依賴于彈性組件或外骨骼內(nèi)的肌肉。
想復(fù)制出像動物關(guān)節(jié)一樣功能的機(jī)器人關(guān)節(jié)，需要使用一個輕量級的驅(qū)動裝置，它可以支持高速和高功率輸出、大幅度位移，并兼容無限制*作。雖然有無數(shù)種驅(qū)動策略存在，但還沒有一種技術(shù)能滿足所有這些要求。液壓放大自愈式靜電（HASEL）驅(qū)動器和袋狀電機(jī)（pouch motor）解決了其中的一些問題。
HASEL使用導(dǎo)電液體驅(qū)動機(jī)制，由包裹著的電極和內(nèi)裝自愈絕緣液體的彈性軟袋組成，在對其施加電壓時，正負(fù)電極會相互吸引，從而擠壓液體、改變軟袋的形狀，模擬人體肌肉的收縮。由于其可控制的線性收縮、可延伸的制造方案和可選擇材料的通用性，Peano-HASEL驅(qū)動器在仿生機(jī)器人系統(tǒng)中尤其具有吸引力。然而，由于需要將線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換為帶角度的輸出，因此很難將Peano-HASEL執(zhí)行器集成到分布式關(guān)節(jié)連接系統(tǒng)中，這一要求增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并限制了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的可偏移程度，需要引入額外的組件。
HASEL驅(qū)動器
另外一些驅(qū)動技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了機(jī)械有向性結(jié)構(gòu)在機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn)，包括集成剛性結(jié)構(gòu)組件與軟驅(qū)動，用于毫米到厘米尺度的機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。特別是，Niiyama等人推出的袋狀電機(jī)，由一個或多個由熱熔粘接方法制造的氣密膀胱（稱為袋）組成，通過其分布式設(shè)計(jì)和機(jī)器人關(guān)節(jié)控制設(shè)計(jì)，提供了一種很有前途的連接方法，但仍然存在常見的氣動學(xué)缺陷，需要通過復(fù)雜的有損耗空氣網(wǎng)絡(luò)分配壓縮空氣供應(yīng)；因此，帶寬和多自由度可控性仍然受到限制。
二、SES關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、取材方便
為了滿足高性能驅(qū)動器的需求，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)快速連接，并可以無縫集成到機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，研究人員研發(fā)出了一種蜘蛛啟發(fā)式電動液壓機(jī)器人軟關(guān)節(jié)驅(qū)動（SES）裝置。SES驅(qū)動器吸收了線性Peano-HASEL執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)袋狀電機(jī)的特性，具有高比扭矩（可與電磁式伺服電機(jī)相比）、快速*作（演示高達(dá)24Hz）、低功耗和反驅(qū)動能力，全部采用輕量級設(shè)計(jì)。
由蜘蛛腿部液壓啟發(fā)的SES驅(qū)動器原理其中關(guān)鍵部件就是研究人員制作的由薄塑料薄膜（聚酯或聚丙烯都可以）制成的柔性袋，其中填充了液體電介質(zhì)——一種植物油。然后研究人員在袋子的每一側(cè)放置了電極，讓這些充滿液體的柔性袋用作驅(qū)動器，通過靜電力產(chǎn)生液壓動力。柔性袋連接到旋轉(zhuǎn)接頭，當(dāng)在電極之間施加高電壓時，靜電力會導(dǎo)致液體電介質(zhì)在柔性袋內(nèi)移動，接頭會彎曲。SES關(guān)節(jié)能夠旋轉(zhuǎn)高達(dá)70度，產(chǎn)生高扭矩，并且可以輕松恢復(fù)到起始位置。“SES關(guān)節(jié)*簡單和輕便，因?yàn)闆]有外圍組件會加重機(jī)器人的負(fù)擔(dān)，”馬克斯普朗克研究所機(jī)器人材料部主任克里斯托夫·開普林格（Christoph Keplinger）說：“軟體機(jī)器人的許多應(yīng)用，都需要多功能執(zhí)行器。這些受蜘蛛啟發(fā)的關(guān)節(jié)具有很高的功能性，并且只消耗很少的能量，它們制造起來既簡單又便宜，我們使用的是塑料用食品包裝，而且這些產(chǎn)品很容易延展。這些都是對機(jī)器人設(shè)計(jì)關(guān)重要的品質(zhì)，機(jī)器人可以采用多種不同的方式移動并*縱各種物體，而不會破壞它們。”
科學(xué)家們分別展示了雙向關(guān)節(jié)、多節(jié)假肢和三指抓手機(jī)器人，它們都可以輕松抓取小巧的物體。三指抓手是該團(tuán)隊(duì)使用SES關(guān)節(jié)展示其多功能性的一種應(yīng)用。研究人員為抓手配備了類似肌肉的結(jié)構(gòu)，以抓住阻礙其運(yùn)動的物體。使用SES接頭作為抓手的連接裝置，需要的空間會小很多。
該論文的作者尼古拉斯·凱拉里斯（Nicholas Kellaris）說：“這項(xiàng)研究之所以引人注目，是因?yàn)槲覀兛梢允褂枚喾N材料，甚是用來制作薯片袋的塑料來制作柔性袋。這樣我們就可以在各種幾何形狀中使用SES，并具有專門調(diào)整的驅(qū)動特性?！?/span>論文第二作者菲利普·羅特蒙德（Philipp Rothemund）補(bǔ)充道：“我們研究的終目標(biāo)不是制造蜘蛛機(jī)器人。我們想開發(fā)一種先進(jìn)的主動關(guān)節(jié)，您可以將其放入類型的機(jī)器人中?！?/span>特別是對于只有幾厘米大小的小型機(jī)器人系統(tǒng)，有限的空間嚴(yán)重限制了執(zhí)行器技術(shù)的選擇，SES關(guān)節(jié)將*有用。對于軟體機(jī)器人領(lǐng)域來說，這項(xiàng)發(fā)明確實(shí)是一個飛躍。
三、SES在關(guān)節(jié)處直接集成驅(qū)動，性能更高
使用SES制作的機(jī)器人關(guān)節(jié)在扭矩輸出、比扭矩、關(guān)鍵速度、能量消耗等方面均有突出表現(xiàn)：SES關(guān)節(jié)扭矩輸出更高。小能量型介電柔性關(guān)節(jié)扭矩輸出為2.3mN.m，而SES關(guān)節(jié)的扭矩輸出超過70mN.m。此外，與連續(xù)式HASEL相比，由SES關(guān)節(jié)制成的夾持器能夠大幅提高穩(wěn)定性和抓握力，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的*作。比扭矩（N.m.kg?1）即驅(qū)動器每立方厘米的上受到的扭矩力，是衡量旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動器的一個重要度量指標(biāo)，驅(qū)動器此指標(biāo)數(shù)值越高則性能越突出。SES關(guān)節(jié)在此項(xiàng)指標(biāo)性能上可與電磁驅(qū)動器相媲美，后者是厘米尺度機(jī)器人系統(tǒng)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)歸一化驅(qū)動器質(zhì)量（1.36g）時，SES比扭矩高達(dá)21.2N.m.kg?1。根據(jù)德米扎基斯（Dermitzakis）等人的研究，各種伺服電機(jī)可達(dá)到比扭矩約為15N.m.kg?1（扭矩大小與伺服電機(jī)尺寸無關(guān)）。SES比扭矩表現(xiàn)極佳。SES關(guān)鍵速度快，測量出的滾轉(zhuǎn)頻率為24赫茲，激活時間低12毫秒。與依賴于系統(tǒng)內(nèi)外熱量緩慢擴(kuò)散的熱驅(qū)動系統(tǒng)相比，SES關(guān)節(jié)所采用的靜電機(jī)制既快速又可擴(kuò)展到大型陣列。以SES關(guān)節(jié)基礎(chǔ)的電液壓裝置在模型系統(tǒng)中顯示出了20%的效率，此外，SES關(guān)節(jié)表現(xiàn)出捕獲狀態(tài)，這意味著它們在保持一個驅(qū)動狀態(tài)時消耗很少能量，與狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換相比，保持一個驅(qū)動狀態(tài)時的能量消耗減少了80倍。SES關(guān)節(jié)的固有捕獲狀態(tài)，將有助于創(chuàng)建高效的多自由度機(jī)器人系統(tǒng)，允許從不連續(xù)驅(qū)動的關(guān)節(jié)獲得小的能量（例如，穩(wěn)定組件）。此外，其靜電致動器，可以通過實(shí)施電荷回收系統(tǒng)來提高表觀效率，此前壓電致動器中使用的電荷回收系統(tǒng)可以回收致動過程中50%以上的能量。與傳統(tǒng)的流體驅(qū)動相比，SES關(guān)節(jié)無需流體管路和控制閥，而是易于成型的平面電氣連接。SES關(guān)節(jié)可以應(yīng)用于各種關(guān)節(jié)機(jī)器人設(shè)計(jì)，利用機(jī)器人結(jié)構(gòu)固有的機(jī)械部件為關(guān)節(jié)提供必要的支持層。此外，它們的電氣*作是無聲的，并允許執(zhí)行器輸出的直接電氣到機(jī)械控制。電液系統(tǒng)的控制可以通過使用外部傳感器的閉環(huán)控制方法來增強(qiáng)，甚可以利用其使用電容測量自我感知變形狀態(tài)的固有能力。
結(jié)語：SES為微型機(jī)器人提供更多可能
機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置是機(jī)器人的動力來源，可分為液壓式、氣動式、電磁式和廣義元件式等多種類型。因?yàn)殡姍C(jī)具有啟動速度快、調(diào)試范圍廣、過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，使用電機(jī)的電磁驅(qū)動方式為常見。之前的液壓驅(qū)動式裝置存在耗能大、漏液、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，限制了在機(jī)器人中的應(yīng)用。而SES的出現(xiàn)改善了機(jī)器人液壓式驅(qū)動裝置的一些性能，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的輸出能力，更小的安裝空間，更省的能量消耗。SES裝置的優(yōu)點(diǎn)還在于可以使用多種材料來制作其中的柔性袋部件，即使是薯片包裝袋材料也可以，SES使用范圍更加廣泛。而可以在更小安裝空間上使用，則是厘米級機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置又多了更多選擇。SES很可能在微型機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。但因轉(zhuǎn)載眾多，無法確認(rèn)真正原始作者，故僅標(biāo)明轉(zhuǎn)載來源。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容！本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表本公眾號贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
