还有被“光”驱动的灵活机器人手!

标签:机器人
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看起来像剪纸般薄如蝉翼,没有任何额外的驱动设备,机器人手指却能灵活自如地运动,仿佛被施了魔法一样。

仔细观察,机器人手指上有一层透明的薄膜,这其实是一种软体驱动器,就是它带动着机器人手指的运动,而这种软体驱动器就是“光”的誓死追随者。

确切的来说,是激光。

这是东京大学的研究人员开发的一款由激光驱动的软体驱动器,无需任何额外的电机设备,可以迅速致动,能够实现软体驱动器的无线、可扩展与选择性控制;而他们不仅利用这款软体驱动器制作了机器人手,还开发了能走路的小步态机器人,以及能抓东西的机器人夹持器。

▍软体驱动器无线无负担,激光照射快速激活

为什么要开发这样一个软体驱动器呢?

软体驱动器本身小巧、柔软又灵活、能够适应复杂的环境,但却不可避免地会被束缚在笨重的管子和泵上,就像最常见的气动驱动器,且当驱动器数量增加时,它们变得不可行。因此,实现无线、可扩展和能够选择性控制的软体驱动器仍然具有挑战性。

为了实现这类新的软体驱动器,东京大学的研究人员提出了一种无需任何束缚即可驱动多个和选定的软体驱动器的方法。

这种软体驱动器由两片柔韧、重量轻的聚合物薄膜制成,里面装有一种特殊的低沸点液体,叫做Novec 7000。

接下来,该“光”出场了,研究人员通过傅里叶变换红外光谱测得激光的最佳波长为10.6-μm ,激光系统通过频繁旋转由振镜扫描仪控制的两个轴向反射镜来控制,以使用指定的光路反射来自振荡器的激光束。

当激光束照到驱动器上,内部的Novec7000液体中丰富的C-F(碳氟键)吸收能量,从而引起液-气相变,液体蒸发产生的气体使密封袋膨胀,并能够在线性和角度方向上进行驱动。

原理搞清楚了,来看看它的强度和可靠性如何?

研究人员对比了激光和电加热的驱动性能,发现激光投影可以产生与电热加热器几乎相同的张力,但由于电加热需要自然冷却,在驱动和恢复上总是比激光驱动慢了一拍。

在可靠性方面,研究人员检查了由于激光过热导致的驱动器薄膜失效,使用了 10 个具有不同加热时间的样品,当照射时间小于13.68s时,所有样品在辐照后都能正常工作;较长的时间会导致薄膜破裂。

他们还进行了重复驱动的疲劳测试,驱动器加热10 秒,然后在接下来的 70 秒内冷却,重复了这个循环80 次,发现在所有循环后应变值几乎没有下降。

▍应用于机器人,看它表现如何

接下来,就要让软体驱动器发挥它真正的用处了——驱动机器人。

研究人员凭借软体驱动器开发了三款机器人:

1. 机器人手指的选择性驱动

薄如蝉翼的机器人手由薄的 PET 基板制成,软体驱动器粘在手上的几个关节上,而选择性驱动就是可以任意驱动这几个手指和关节,例如,可以让机器人手比个耶:

或者做个OK的手势:

这种驱动通过热成像进行了验证,使用获取的热成像图像作为反馈信息来控制手部运动。

2. 不受束缚的步态机器人

步态机器人包括一个柔性框架、两个位于平面两端的执行器和两个用于实时定位机器人的AR标记,为了能让它跑起来,机器人腿部印有粘性材料,但运动方向那侧的腿部尖端材料是光滑的,这样可以将各向同性的收缩运动转化为各向异性的运动。

多个机器人可以同时独立运动,研究人员以3个为例,它们的运动速度约为 1 mm/s,与其他软体驱动器比起来速度较慢,不过可以通过改进激光照射方法来提高速度,例如,增加比目前的激光功率。

3.机械手抓手

研究人员制作了一个简单的夹持器,将软体驱动器安装在夹持器的左侧,投影系统通过从左侧照射激光来加热驱动器,使夹具打开或关闭,这样的夹持器可以抓取一个11g重的乐高玩具。

▍关于未来

这篇研究发表在ieeexplore中,文章名称是Laser Pouch Motors: Selective and Wireless Activation of SoftActuators by Laser-powered Liquid-to-gas Phase Change(激光袋电机:通过激光驱动的液-气相变选择性和无线激活软致动器)

研究人员表示,这种激光投影和带有低沸点液体的软体驱动器的组合的优点主要有:

  1. 可以使用光学投影仪激活平面和软体驱动器,使用简单有效。
  2. 激光投影可实现无线能量供应以及目标执行器的选择,并且无需将附加组件连接到小袋,从而实现多个执行器的简单且可扩展的实施。
  3. 与每个小袋子的总体积相比,为袋子完全充气所需的低沸点液体的体积很小,并且不会干扰平面流体致动器的薄、轻、灵活的特性。

尽管如此,激光本身还存在一些问题,研究人员目前的激光系统无法进行大面积照射,这涉及到激光的分辨率和功率问题,如果扩大目标区域,分辨率会增加,控制精度可能会减小,此时需要增加激光功率,但太高的功率有可能损坏软体驱动器,因此,研究人员计划未来加入一个精确的执行器温度分布控制系统,使用驱动器的热分布作为反馈信息,平衡激光功率大小与薄膜寿命之间的关系。

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