受海马尾部构造启发，中国科学家赋予连续型机器人物理智能，能够共形抓取不同曲率物体

受海马尾部构造启发，中国科学家赋予连续型机器人物理智能，能够共形抓取不同曲率物体 nclick="fontZoom('+', 'article');"/>  nclick="fontZoom('-', 'article');"/>日期：2022-10-26    来源：DeepTech深科技    评论：0    标签：机器人海马抓取　　海马具有马的轮廓，能够在游泳过程中表现出特殊的形态，如拉长鼻子与伪装皮肤。灵活卷曲的尾巴使海马成为了不起的海洋生物，能够在满是障碍的海草，红树林和珊瑚礁中生存。

（来源：Pixabay） 　　连续型机器人凭借其连续的核心结构，具有更高的通用性、更大的安全性和更强的适应性，可以用于救援、微创手术和行星探索的过程中。 　　高适应性抓取是连续型机器人与非结构化环境交互的重要途径之一。然而，由于多数连续型机器人具有恒定的结构截面，仅能够与特定曲率的环境进行共形交互。 　　相比之下，海马却能够利用其具有锥度的尾巴，对不同曲率特征的珊瑚或海藻等进行共形缠绕抓取，以避免因海水涌动而导致姿态失控。 　　近日，科学家受海马尾巴的高适应性共形交互能力启发，研制出一款仿生可编程曲率的连续型机器人。该机器人将具有刚柔耦合特性的张拉整体结构与绳索驱动模式相结合，实现了对不同曲率物体的共形抓取。

（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　论文以《像海马尾巴一样具有多功能：生物启发可编程连续型机器人的共形抓取》（Versatile like a seahorse tail：a bio-inspired programmable continuum robot for conformal grasping）为题，发表在Advanced Intelligent Systems上[1]。中山大学先进制造学院吴嘉宁副教授、大连理工大学工程力学系彭海军教授及英国伦敦南岸大学机械工程与设计系哈米德·拉贾比（Hamed Rajabi）为共同通讯作者。

图|受海马启发的仿生连续型机器人（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　在设计连续型机器人的过程中，海马尾巴因具有灵活性、敏捷性和对各种结构物体的共形抓取适应性，被选为开发鲁棒连续型机器人的模型系统。 　　为量化海马尾巴尺寸，研究者以尾巴基部为原点O建立坐标系，将尾巴的纵向和径向设定为X轴和Y轴。 　　该连续型机器人由10个相同单元构成，由4根电缆驱动。每个单元包括2个由2根刚性横杆和2根拉伸弹簧交替连接的方形环层，4根纵向杆被分成2组，通过旋转铰链连接到相邻的环层。 　　在机器人设计的过程中，为研究几何参数对机器人变形后构型的影响，研究者采用多体动力学框架建立机器人力学模型。在建立起的力学模型系统中，假设纵向和横向杆仅承受压缩力，而弹簧和绳索都只受拉力的作用。 　　上述的理念都是为了对机器人进行有效的模型简化，以便研究者构建力学模型来预测机器人的变形，从而减少模拟过程中的计算复杂性。

图|同一驱动准则下不同锥度的机器人弯曲构型（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　据介绍，研究者首先依托张拉整体结构构建了一种由10个截面相同单元组成的连续型机器人构型。针对该构型，当收缩绳索1和2，释放绳索3和4时，机器人可以在YOZ平面绕X轴弯曲，从最初的直线状态转变为弯曲状态，弯曲角度为120.08°。 　　然而，经测试，该机器人仅能展现出近似等曲率的弯曲变形，导致其可能在不同曲率物体自适应抓取方面会受到限制。为了克服这种限制，团队受海马的锥形尾巴启发进一步开发出新颖的设计范式，通过调节纵向杆件的长度使机器人展现出特定的锥度。 　　为了验证这一想法的可行性，研究者设置了5组不同锥度的连续型机器人构型（0.01，0.02，…，0.05），依次进行理论弯曲运动分析，并得到如下的理论研究结果：在相同的驱动准则下，不同锥度的连续型机器人能够展现出完全不同的弯曲构型。 　　绳索长度变化对连续型机器人曲率的影响 　　此外，考虑到驱动绳索长度也可能是影响连续型机器人变形特性的重要因素。团队还评估了绳索长度对机器人曲率的具体影响。

图|绳索长度变化对机器人曲率的影响（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　在论文中提到的驱动准则1下，团队将绳索1和2分别从20mm缩短至100mm，获得机器人相应的弯曲轮廓，从而得到弯曲角度和绳索长度变化的关系。 　　为了测试机器人对物体的适形性，研究者还计算了每个单元的弯曲曲率，并在此基础上映射出对应的结果。 　　结果表明，这种具有物理智能的驱动模式，能够加强连续型机器人对变曲率物体的适应性，克服抓取时曲率不匹配的障碍。 　　连续型机器人抓取不同曲率的物体 　　在研究中，该团队首先探索和演示机器人抓取不同曲率泡沫球的性能。他们制作出由10个单元组成的锥形连续型机器人。机器人由受微控制器控制的两个电机拉动4根绳索进行驱动。

图|连续型机器人抓取不同曲率泡沫球（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　除此之外，研究者还分别用直径为60、80和100mm的泡沫球展示出机器人在抓取变曲率物体时的共形特性。该项研究证明：机器人可以通过对曲率的定向编程实现共形抓取。 　　为进一步分析机器人与泡沫球的相互作用，该团队测量出机器人每个单元的曲率后发现，单元4到单元10的曲率与预期曲率相似。这表明，该驱动方案能够使机器人实现按需共形抓取。

图|仿生连续型机器人拾取水中漂浮物（来源：Advanced Intelligent Systems） 　　仿生连续型机器人拾取水中漂浮物的测试结果表明：机器人能够很好地抓取漂浮物体。为了评价机器人的抓取性能，研究者将机器人变形后的轮廓曲率与物体的轮廓曲率进行比较，并发现预期曲率与机器人实际曲率之间的最大误差仅为15.32%。 　　如此良好的一致性表明：该机器人具有与已知曲率漂浮物交互的能力，并可能为未来漂浮物收集原位表征技术提供一定的启发。 　　总的来讲，课题组的机器人设计方案不仅能为高效交互提供有效途径，而且可以通过编程输出曲率为定制连续型机器人提供有效解决方案。 　　实验还证明连续型机器人具有相应的开发价值，这主要由于：该项技术可促进收集漂浮污染物的各种原位操作与表征技术的发展，为守护海洋生态之美添砖加瓦。 　　未来，该项研究工作的重点研究方向是在设计中配备灵活的传感器，通过实时监测抓取力实现对物体的牢固抓取。