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【天富娱乐总代理】科学家开发出由流体动力引领的新型机器人!

机器人的历史始于1960年左右的流体动力,在那个时候,所有的机器人都是由pneu- matic或液压执行器驱动的。随后,在20世纪80年代中期,电磁马达取代了机器人执行机构的主支柱,而流体驱动的机器人几乎完全消失。然而,近年来,利用气动灵活轻便的独特特性和液压高功率、鲁棒性的特点,一些传统电动机无法实现的独特特性的机器人正在被开发出来。欧索尔开发了包括气动和液压在内的各种新型流体动力执行机构,以实现具有独特功能的新型机器人。本文详细介绍了科学家在流体动力执行器和由流体动力执行器驱动的机器人方面的工作。此外,研究人员表示未来的机器人可以实现使用流体动力。

相关论文以题为“New Robotics Pioneered by Fluid Power”与北京时间2020年10月20号发表在《JRM Vol.32 No.5》上。

《【天富娱乐总代理】科学家开发出由流体动力引领的新型机器人!》

世界上第一个工业机器人,Versatran和Unimate,大约在1960年在美国诞生。上世纪70年代初,日本早稻田大学(Waseda University)研制出了第一个类人机器人WABOT。所有这些机器人都由液压执行器驱动。麦吉本肌肉是最受欢迎的人造肌肉之一,于1948年在德国发明。它们于1960年在美国被应用于残疾人运动支撑矫形器,这是所谓的可穿戴机器人的第一个例子。

从这些例子中可以明显看出,包括工业机器人、类人机器人和可穿戴机器人在内的机器人,在机器人技术领域引起了相当大的关注,它们最初是由基于流体动力的执行器驱动的。这是因为当时电磁驱动器的功率和性能不足以有效地驱动机器人。

20世纪80年代中期,在电磁学领域出现了两项主要的技术革新,即稀土磁体和无刷电机。随着电磁马达逐渐增强动力和可控性,流体动力在机器人技术中的应用开始衰退,到20世纪90年代中期,几乎所有的机器人都是由电磁马达驱动的。从那时起,通过电磁技术的改进,如高功率密度电池的发展和更有效的分析和设计方法,机器人的性能得到了优化。

尽管流体动力从机器人消失,几个独特的研发项目的使用流体动力的机器人继续。例如,研究人员开发的气动橡胶执行器和机器人,Noritsugu等人开发的气动人工肌肉驱动的人性化机器人,分别是软机器人和可穿戴机器人领域的先锋研究。由Yokota和Yoshida研发的由功能液体驱动的微型机器人也是的独特贡献。虽然其他一些研究人员也研究过流体动力,但他们的活动比电磁马达要小得多。

然而,在21世纪的机器人技术中,流体动力又开始发挥作用了。典型的例子是液压驱动的有腿机器人,如波士顿动力公司的BigDog、WildCat和Atlas,以及远程操作的构造机器人。即使在极端的户外环境下,它们也具有强大的能力和健壮性,这是电磁马达和减速器组合难以实现的。另一个典型的例子是气动驱动支架,它具有电磁马达无法实现的特点,如重量轻、灵活性好、回驶性高。

流体动力和电磁学的比较

表1比较了typ- ical流体动力执行器和典型的电磁交流执行器的性能。

大多数电磁执行机构产生轮动运动,而大多数流体动力执行机构产生线性运动,如圆柱体。虽然存在旋转流体动力执行机构,但大多数都是将活塞的直线运动转化为旋转运动。由于大多数生物的运动是基于肌肉或线性驱动器,流体动力驱动器可能适合机器人在这方面的观点。

气动执行机构和液压执行机构虽然结构相似,但它们的特性却有很大的不同。气动系统具有很高的顺应性和形状适应性,而液压系统具有较高的动力和韧性,可以在极端环境下工作,如户外。这两种执行器都表现出优异的性能,但它们的主要缺点是:1)压力源,2)管道和耦合器,3)控制阀。此外,在液压的情况下还存在漏油的风险。如果这些弱点被消除,流体动力将是一个非常可行的选择。

虽然电磁马达通常需要一个回收装置来增加扭矩,流体动力执行机构可以作为直接驱动执行机构,导致高的抗冲击和振动,以及优良的防震能力。

麦克斯韦应力是产生力的势的一个重要指标。它在流体系统中表示工作流体压力,而在电磁学中,它表示定子和转子之间单位面面积上的电磁力。各执行机构的麦克斯韦应力也取决于执行机构的结构和设计。在气动学和电磁学上大致相似;然而,在水力学上它要高出几十倍。

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表1.流体动力执行机构与电磁执行机构的特点比较。

因此,流体动力执行机构具有与电磁马达不同的特性。利用流体动力执行机构的优势,可以实现独特的机器人,这是无法设想的电磁马达。

新型气动先锋E-Kagen机器人

气动执行机构有其独特的特点,如依从性、重量轻、成本低。本段介绍了两种类型的气动执行机构:刚体气动执行机构和橡胶体气动执行机构。

智能气瓶和人机界面

一般来说,气动不适合精确定位和高刚度运动,但气动执行器的顺应性和重量轻都适合物理人机界面。

图1说明了智能pneu- matic圆柱体的两个模型以及它们在智能座椅和物理人机界面上的应用。每个气缸都有一个检测活塞位置的编码器、一个控制器、压力传感器和一个电磁阀。在大气缸的情况下,阀门安装在气缸上,而在小气缸的情况下,阀门安装在滚轮的外侧。这使得气缸可以实现位置/力伺服控制和基于远程命令的阻抗控制。因此,任何需要的物理特性,如长度、顺应性和粘度,都可以分配给每个气缸。

智能椅由40个智能圆柱体组成,每个圆柱体可分配任意独立的物理属性。通过对椅面形状、弹簧分布常数、阻尼常数等特性的调整,实现了具有不同物理特性的虚拟椅,并对模型的设计进行了反馈。

一个由120个智能柱体组成的主动物理人机界面,给出了一个虚拟的三维对象。操作员可以在电脑中感觉虚拟物品的形状和实体道具,就好像他/她可以触摸到它们一样。此外,他/她可以改变形状,以类似的方式粘土雕刻;因此,该界面可以作为]的人机界面来工作。气动执行器具有成本低、重量轻的特点,可以实现这类大型执行器集成系统。

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图1.智能气瓶(上)及其应用,智能椅(左下)和活跃的物理人机界面(右下)。

气动橡胶驱动器

(一)灵活的微致动器

在过去的几年中,一些气动橡胶执行器已经被开发出来,其中一些已经商业化。它们是由橡胶腔组成,通过空气软管控制其压力变形,从而作为软执行器操作。

图2说明了一个柔性微驱动器(FMA)。FMAs是由纤维增强橡胶和有三个内室。控制每个腔室的压力会产生3自由度的运动,即俯仰、偏航和伸展[11]。此外,它具有依从性和形状适应性,并作为一个手指工作。为了有效地抵抗径向变形和获得弯曲运动,在原有FMA的橡胶中加入了纤维增强,已经发明了几种不添加纤维增强的。图2描绘了一个5×5阵列的FMAs,通过立体声光刻工艺和耦合用于底座的供气通道制作。它的工作原理是通过携带放置在它上面的物体。

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图2.FMA和FMA阵列。

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(b)喷水

图3描绘了另一种类型的气动橡胶交流tuator,称为起泡器。

图3(左)展示了一个原始的起泡器,它在桌子上移动,端着一个茶杯。如图所示,它有12个内室和鳍。通过空气供应软管,将空气依次施加到每个腔室,产生流动的弹性变形波,使起泡器在工作台上移动,就像一个机车机器人底座一样。在船体表面制造的翼片使变形波增大。图4模型的中间室没有塞子,是开放的。这有助于对起泡器的结构进行简单的了解。实际上,两个房间都被堵塞了。

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图3(右)描述了起泡器在自推进式结肠镜上的应用。它描绘了一个自我推进的结肠镜插入透明大肠模型的实验。

一个小橡胶管螺旋缠绕在结肠镜周围,该橡胶管的矩形截面为2×8mm,有四个内腔,与原始起泡器的一部分类似。通过对每个腔室连续施加气压,橡胶管表面的弹性变形波推动肠镜进入肠内。气动橡胶执行机构结构柔软、简单可以帮助实现这个软机器人。

薄McKibben肌肉

目前最著名的人造肌肉是McKibben肌肉,它是一根橡胶管,周围环绕着编织线。在管子里充气会引起肌肉收缩。传统的麦基本肌肉的直径只有几厘米,而作者已经发展出直径为3-5毫米的薄麦基本肌肉。其基本结构和工作原理与常规麦基本肌相同。通过选择合适的材料,优化管材的设计,开发一种新的制造工艺,实现了管材的小型化、规模化和集中性。薄的麦基本肌肉足够薄且柔韧,可以捆绑成多纤维肌肉或编织成刺激性织物[17-19]。这为人造肌肉的使用带来了新的希望。

(一)可穿戴机器人矫正法

图4展示了两个可穿戴机器人的例子,它们是通过编织瘦肌肉而制成的。一种是上肢支撑服,可以帮助举起重物。肌张力的测量结果显示肌肉活动明显减少,而用户问卷调查显示这种支撑服具有良好的舒适性和适用性。

另一种是复健手套,可以弯曲和照顾手指的薄肌肉[21]。它可以用于康复和运动支持的残疾人和老年人。实验表明,该方法可以成功地实现手指从指尖角度的伸展和弯曲在49◦ ~ 106◦,和一个500 g的水瓶可以稳定地抓住。

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图4.西装和手套支持应用。

(b)肌肉骨骼机器人

图5描绘了一个由作者设计的肌肉骨骼机器人。它是根据解剖学课本和医生的建议来模拟人体骨骼和肌肉结构的[22,23]。众所周知,相似的结构会导致相似的性质。该机器人展示了类似于人体的运动学和动力学特性。

但是,该机器人的机构存在冗余。例如,一条腿有6-7个自由度,而这条腿有50块独立的肌肉来驱动它。传统的电动机很难实现这些冗余机构,因为它们太硬,无法协同工作,而这种类型的执行机构由于其柔软性。

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图5.Musculo-skeletal机器人应用程序。

(c)超轻20米长臂

图6描绘了一个名为“贾科梅蒂臂”的超轻型20米长臂。它由20个充氦的气球组成,气球与20个关节连续相连,每个关节由拮抗薄肌肉驱动。它的尖端有一个小照相机,用于透视。包括气球体、肌肉、照相机、供气软管和照相机的电缆在内,它的重量只有980克。

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图6.20-m-long贾科梅蒂的手臂。

图7中的臂通过屋顶窗口连接位于建筑中的管道。这是极其简单的设计,不需要计算运动学或碰撞避免策略。操作器可以简单地控制手臂在任何情况下向目标移动。随后,手臂反复与建筑接触以达到目标。可以说,机器人手臂经过与环境的多次接触后,自行定位接近路径。至于使用无人机执行同样任务的可能性,控制无人机进入窗口并不容易,而且可能很危险。这个机器人即使掉下来或撞到什么东西,也非常安全。

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图7.无拴致动器和机器人。

结论

创新驱动器可以创造新型机器人。基于这一思想,研究人员一直致力于开发新型驱动器及其在机器人的应用。本文概述以往在新流体动力方面的研究以及利用其特性在新机器人技术中的应用。流体动力与电磁学的特性有很大的不同。气动动力表现出柔软和轻便,而液压动力表现出高的力密度和在恶劣的户外环境下工作的能力。此外,新型液压动力的开发可以产生动力与柔和结合的机械系统。

利用流体动力的这些独特特性,研究人员可以创造出一个新的机器人领域。该领域有很大的潜力,特别是在“E-kagen机器人”,其中包括软机器人,穿戴机器人矫形器,人类友好机器人,超冗余肌肉骨骼机器人,和“强大和温和的机器人”,其中包括力量软机器人,力量肌肉机器人,和强硬机器人。科学家强烈希望未来能开发出更多的执行器,从而开辟出传统执行器无法实现的机器人新领域!

参考资料:Koichi Suzumori;

New Robotics Pioneered by Fluid Power;

JRM Vol.32 No.5 pp. 854-862doi: 10.20965/jrm.2020.p0854(2020).

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