软腿机器人使用气动电路像海龟一样行走,无需任何电子设备,这款四足机器人可以向任何方向行走,甚至可以避开障碍物

这款软四足机器人无需任何电子设备,即可使用气动电路行走。具有内在的安全性,高度的弹性,并且可能非常便宜,这使得它们 有广泛的应用前景。但是相对于机器人技术的其他领域,它们的开发速度有些慢,至少部分是因为软机器人无法直接受益于我们在过去几十年中看到的计算能力以及传感器和执行器可用性的大幅增长。取而代之的是,机器人专家必须具有创造力,以找到使用软材料和兼容电源实现常规机器人组件功能的方法。

在本期《科学机器人杂志中,圣地亚哥大学的研究人员演示了一种具有四只腿的柔软步行机器人,机器人的脚步像乌龟一样步态,由管子和阀门制成的气动回路系统控制步态。这种由空气驱动的神经系统可以从单个压缩空气源按顺序启动多个自由度,从而大大降低了复杂性,并为机器人本身带来了非常基本的决策形式。

通常,当人们谈论软机器人时,机器人大多只是软的。有一些很难制成软元件的组件,包括压力源和必要的电子设备,这些电子器件可以以可用于推进的方式在不同的软致动器之间引导该压力。该机器人真正的酷点在于,研究人员设法获取了一个压力源(一个系绳或一个车载CO2弹药筒),并使用完全振荡的三个阀门回路将其引导到四个不同的支腿,每个支腿具有三个不同的气室。柔软的材料。

其灵感可以从生物学中找到,包括四足动物在内的自然生物利用称为中枢模式发生器(CPG)的神经系统组件来提示四肢重复运动,这些四肢用于行走,飞行和游泳。这在某些生物中显然比在其他生物中更为复杂,并且通常由感觉反馈来介导,但是CPG的基础结构基本上只是一个重复回路,该回路依次驱动肌肉以产生稳定,连续的步态。在这种情况下,我们要以成对的对脚驱动气动肌肉,从而产生对角对联步态,对角对立的四肢同时向前和向后旋转。

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图:科学机器人 /

(J)有节奏的腿部动作的气动逻辑电路。施加到三个逆变器组件的恒定正压源(P +)导致高压状态在电路周围传播,每个逆变器都有延迟。当一个逆变器的输入为高电平时,连接的执行器(即A1,A2或A3)充气。高压状态的这种顺序导致机器人的每对腿部在由气动连接确定的方向上旋转。(K)通过颠倒气动振荡器电路的激活顺序,连接的致动器以新的顺序(A1,A3和A2)充气,从而导致(L)机器人的腿反向旋转。(M)机器人的示意性底视图,其中指出了要向前行走的腿部运动方向。

回路本身由三个通过管道连接的双稳态气动阀组成,通过为流经其中的气体提供阻力,可以通过改变管的长度和内径来调节阻力,从而起到延迟的作用。在回路内,加压气体的运动既是能量的来源,又是信号的来源,因为回路中的压力无论在哪里,都是腿在移动。最简单的电路仅使用三个阀,并且可以使机器人沿一个方向行走,但是更多的阀可以添加更复杂的腿部控制选项。例如,研究人员能够使用七个阀门调整步态的相位偏移,甚至只有一个额外的阀门(尽管设计稍微复杂一些)也可以使系统反转,从而导致机器人在响应时向后走从软传感器输入。

这项工作与JPL为探索金星而开发的流动站有一些相似之处-流动站当然不是一个软机器人,但是它在类似的约束下运行,因为它不能依靠传统的电子系统来进行自主导航或控制。事实证明,有很多聪明的方法可以使用机械(或在这种情况下为气动)智能来使机器人具有相对复杂的自主行为,这意味着将来,软(或软)机器人可以在使用不兼容的系统不是一个好的选择的情况。

有关为什么我们应该对软机器人如此兴奋以及软机器人需要变得多么软的更多信息,我们采访了负责加州大学圣地亚哥分校生物启发机器人与设计实验室的迈克尔·托利和该论文的第一作者迪伦·德罗特曼

IEEE Spectrum:软性机器人无法为我们做些什么?

迈克尔·托利(Michael Tolley):在最高层次上,机器人技术的基本假设之一是,您在关节处连接了刚体,并且所有运动都发生在这些关节处。坦率地说,这是一种非常好的方法,因为它使数学变得容易,并且简化了控制。但是,当您在大自然中环顾四周时,即使动物确实有骨头和关节,我们与世界互动的方式也比那个简单的故事要复杂得多。我对我们可以在机器人技术中利用材料属性感兴趣的地方感兴趣。如果您查看必须在非常未知的环境中运行的机器人,那么我认为您可以内置一些智能,以了解如何将这些环境处理到机器人本身的身体中。这就是这项工作真正属于的类别-与环游世界有关。
迪伦·德罗特曼(Dylan Drotman):在狭窄的空间中漫步是一个很好的例子。使用刚性腿式机器人,您将必须完全改变腿部移动以在狭窄空间中行走的方式,而如果您有灵活的腿部(如本文中的机器人),则可以使用相对简单的控制策略来挤压腿部。刚性系统将无法通过的区域。

软机器人能有多聪明?

德罗特曼(Drotman):现在我们在前面有一个传感器,该传感器通过流体传动装置连接到双稳态阀,该双稳态阀使机器人反转。我们可以在机器人周围添加其他传感器,以使其在遇到障碍时能够改变方向,从而有效地制造出无需电子设备的Roomba版本。
托利:稍微往后退一点,可能有人争辩说我们正在使用基本存储元件来生成非常基本的信号。原则上没有什么可以阻止某人制造气动计算机的,而要制造如此复杂的东西是非常复杂的。我认为您可以以此为基础并做出更明智的决策,但是使用此特定设计和我们正在使用的组件,可能是更直接响应环境的事物。

像这样的机器人缩小的程度如何?

Drotman:目前,我们是手工制造这些部件,因此,其想法是改为制造更像印刷电路板的产品,并研究通道尺寸和阀门设计如何影响致动特性。我们还将提出新的电路,以及电路本身的不同设计。

托利:到厘米或毫米级,我认为您不会遇到基本的流体流动问题。我认为您将受到系统设计约束的更多限制。您必须能够随身携带压力源,并且可能还需要保持刚性的一些其他部件才能运动。但是,当您开始谈论很小的比例尺时,对我来说还不是很清楚,您真的需要一个本质上是软的机器人。如果考虑昆虫,它们的结构几何形状可使它们的行为像柔软的一样,但本质上并不是柔软的。

我们是否应该以相同的方式考虑软机器人和兼容机器人,或者它们在本质上是不同的?

托利:两者之间肯定存在联系。您可以拥有一个行为相仿的机器人,该机器人的行为与本质上柔软的机器人或本质上柔软的材料制成的机器人非常相似。那时,归结为设计和制造以及实际制造上的限制。我认为当您缩小规模时,两种方法会建立联系。

几年前,有一些有趣的工作是使用爆炸为软机器人供电。那还是一回事吗?

托利:使用软机器人的机会之一是,只要符合材料要求,您就可以存储能量。我认为柔软的身体在快速运动方面具有令人兴奋的潜力。燃烧是一种方法,它可以同时利用化学源提供的动力,但是您也可以使用相对较弱的肌肉,该肌肉随着时间的流逝会在柔软的体内存储能量,然后释放能量。

期望软机器人具有完全的柔软性是现实的,还是因为它们必须以某种方式存储或产生和移动加压气体,它们可能始终具有刚性组件?

托利:如果你在大自然中看起来,你确实有像心脏一样的柔软的泵,但是尽管它很柔软,但仍然相对僵硬。就像,如果您抓住一颗心,那并不是完全柔软。我还没有做到,但是我可以想象。如果您要对容器加压,则容器必须足够坚硬,不能像气球一样爆炸。当然,对于软执行器来说,气动或液压不是唯一的方法。在智能肌肉和智能材料(如液压静电(HASEL)执行器)方面,已经有一些非常出色的工作。它们看起来很有希望,但是所有这些执行器都面临挑战。我们已选择在短期内坚持使用加压气动装置。从长远来看,我认为您将开始看到更多这些智能材料执行器变得更加实用。

就个人而言,对于具有某些刚性组件的软机器人,我没有任何问题。陆地上的大多数动物都具有一些刚性成分,但是它们仍然可以利用柔软性,因此很可能是一种结合。但是我也很喜欢制作完全柔软,柔软的东西的愿景。

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