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这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

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©Nemiroski et al., 2017

仿生机器人的研究已经达到了前所未有的先进水平。但是在保证功能性的前提下保持外观设计的简单轻巧仍是最大的挑战之一。由哈佛大学Whitesides研究小组的研究人员开发的机械昆虫是一款半软、轻质的机器人,使用聚丙烯管(吸管)构建,具有相对简单的结构。

为什么将它们称为“机械昆虫”?研究人员解释说,这是因为机器人“使用了部分仿蜘蛛关节的驱动机制,但是却使用了与其他昆虫相似的步态。”研究人员决定直接从蛛形纲动物或蜘蛛的肌肉骨骼系统中寻找灵感。虽然蜘蛛具有复杂的腿部结构,但是在节肢动物群体中,蜘蛛的腿部伸展机制已经是最简单的了。

蜘蛛的腿部关节由一个允许刚性外骨骼运动的柔性铰链、静态关节(即折叠关节)、用于关节伸展的液压机构和集成化屈肌组成。

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图1:机械昆虫关节组件/ ©Nemiroski 等, 2017

同样,机械昆虫的关节由以下结构部分组成:1)用薄聚丙烯吸管制成的带切口的柔性铰链;2)插入带切口管中的可充气弹性气囊(即致动器);3)在关节内部接入的弹性带,以提供弹性回复力。为了具有简单的结构,使用了外径为1厘米的大口径聚丙烯吸管(或泡泡茶吸管)。在吸管的中心进行标记并切开切口后(图1),将橡胶粘在关节的内部以形成“腱”。然后,将一根5厘米长的弹性管插入吸管中。

为了增加结构支撑力,在连接腱之前,关节会被套上“袖子”,方法是用单层无纺布将其包裹起来。特别是八足机械昆虫,在套上“袖子”之前,关节内包含的附加折叠管以及第二组弹性腱会对结构带来负担。

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图2:仿蜘蛛关节的制动机制/ ©Nemiroski 等, 2017

六足行走机械昆虫

 

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图3:六足机械昆虫设计及关节运动方向示意图/ ©Nemiroski 等, 2017

这款腿部固定的机械昆虫重38克,长20厘米,能够在平坦和不规则的表面上行走。如图3所示,每条腿都有两个关节,分别具有两个自由度,可以进行单独控制。机器人的动作顺序与三脚步态极为相似,这是六足昆虫常见的行走机制。就像这样:机器人将三条腿(形成三角形)保持与地面接触,而其他三条腿向前摆动。每个运动周期都从后腿开始,整个过程按照如下方式进行:1)将腿从地面抬起;2)向前移动;3)将其放至地面;4)向后移动以施加向前的推力。这种运动方式主要是由“关节的相对方向,启动时提供给每个关节的压力以及每个弹性腱提供的回复力大小”决定的。

八足行走机械昆虫

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图4:八足机器人以及其前后关节运动方向示意图/ ©Nemiroski 等, 2017

这个蜘蛛状的机器人长60厘米,重150克。每条腿也有两个自由度,与六足机械昆虫类似。它的动作顺序与上述机器人相同:将脚从地面移开,向前,向下移回地面,然后向后移动。但是,该机器人的结构和运动形式是不同的。

该机器人具有对称的两对前后腿,每条腿都包含一对相对于地面沿相同方向弯曲的关节(例如图4中的A1和B1)。这些关节使机器人可以使用前腿腱将身体向前拉,并使用后腿向前推动身体。此外,还有两对对称的侧腿,每条腿都包含一对相对方向为90 ̊的关节(例如图4中的A2和B2)。内侧处的关节(B2)使其可以向前和向后运动,而外侧上的关节(A2)可以将腿移离地面以及放回地面。

八足行走机械昆虫使用的步态可以将每个肢体分别致动到前进位置,然后将所有肢体同时向后移动。机械昆虫的16个关节用套筒加固,这就意味着在关节内部连接了附加的管子,可以提供精确的制动控制和足以承担机器人重量的支撑力。将第二组腱附接到中间的一对腿上,以提供附加的收缩力。

划船机械昆虫

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图5:划船机械昆虫的示意图,其中显示了被致动的肢体和标有运动方向的关节/©Nemiroski等,2017

与之前的机器人不同,这款机械昆虫通过浮力进行漂浮。划船机械昆虫截面长50厘米,重25克,可以通过两肢的划船运动在水面上进行滑动。密封每只腿的末端,并且在每只脚上涂一层薄薄的疏水性硅脂,以增加疏水性。动作顺序仿照了水黾。中间的一对肢体主要执行划船动作,而前后腿则充当静态支撑物,以提供水面上的浮力和稳定性。

在初始休眠状态时,该机器人的关节没有受到压力,肢体向前放置,与水面接触。对B1和B2关节加压使两肢向后移动,并向前推动身体。然后,对A1和A2加压使两肢运动,同时保持对B1和B2关节施压。最后对所有关节停止施加压力,肢体恢复到静止休眠状态(向前)。

Yulhane-Jerez Koh
Yulhane-Jerez Koh

Yulhane毕业于加州大学伯克利分校,是一名生物力学工程师,也是DevicePlus US的执行编辑。Yulhane的主要兴趣在于集群机器人技术、机器学习和神经科学领域。

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