麻省理工研发“生长机器人”:像植物般萌芽,可挤入缝隙执行任务

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麻省理工研发“生长机器人”:像植物般萌芽,可挤入缝隙执行任务
麻省理工科技评论 2019-11-11

2019-11-11

像植物般“生长”的机器人,其附件可在狭窄空间中辗转腾挪并拿起重物。
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像植物般“生长”的机器人,其附件可在狭窄空间中辗转腾挪并拿起重物。

机器人在如今的工厂和仓库中已经变得越来越常见。从开始固定在制造业的流水线上的机械臂,到物流领域的快递分拣机器人,它们可以四处游走,将物品或工具从一个工作站送到另一个工作站。通常情况下,机器人在已经了解的空间布局中可以轻松地导航寻路,但是如果让它们在狭小杂乱的空间里来执行诸如拿取架子后面的物品,或在汽车发动机零件上拧开一些螺丝、油盖之类的任务,还是十分困难的。

但最近,麻省理工学院的工程师们开发出了一种新型机器人,这款机器人的链状附件设计可以向外延伸很长并且足够灵活,以便让机器人能够扭曲和转动至任何需要的角度,同时又具有足够的刚性来支撑较重的负载或施加扭矩,以在狭窄的空间中组装零件。更为重要的是,任务完成后,机器人可以收回附件,并能以不同的长度和形状再次重构伸出以适应下一个任务需求。

该链状附件的设计灵感来自于植物的生长方式,其中涉及植物如何以流化形式将营养物质输送到自我体内的顶端。在植物不断生长的“头部”,流化营养物质被转化为固体材料,以便逐渐支撑茎的长高。

同样,这款机器人由“生长点”或齿轮箱组成,它把一个松散的连锁块链拉进盒子里。盒子里的齿轮把链条单元锁在一起,然后把链条作为一个刚性附属物再一个单元一个单元地向外递出。

MIT 的研究人员在上周于澳门举行的 IEEE 国际智能机器人与系统大会(IROS 2019)上介绍了这款受植物启发的“生长机器人”。他们设想可以在机器人的齿轮箱上安装抓手、摄像头和其他传感器,使它能够在飞机的推进系统中漫游,去拧紧一个松动的螺丝或者把抓手伸到货架上拿取东西,在不影响周围其他的设备或物品的情况下完成各种任务。

解决“临门一脚”的问题

这款新型机器人的设计出自麻省理工学院机械工程学教授 Harry Asada 的实验室,它是 Asada 解决各种场景下最后“临门一脚”问题的分支内容。“临门一脚”问题指的是机器人任务或者探索性行为的最后一步操作,虽然机器人可能会把大部分时间花在穿越开放性空间上,但其任务的最后一步可能要在更紧凑、更复杂的空间中进行灵活性要求更高的工作,以便完成任务。

Harry Asada 说:“当他在考虑更换车内机油的时候,发现打开发动机顶盖之后,必须要有足够灵活的工具才能够到机油滤清器的位置,然后还要足够坚固来扭转机油滤清器盖以便将其卸下。这促使我有了研究新款机器人设计的想法。”

负责该机器人设计工作的 Tongxi Yan,也是从 Asada 实验室毕业的研究生,他表示:“现在我们有了一个可以完成这些任务的机器人,它可以生长、收缩,以及再生长成不同的形状,来适应不同的工作环境。”研究团队还包括了麻省理工学院的研究生 Emily Kamienski 和访问学者 Seiichi Teshigawara,他们在澳门的会议上共同介绍了该成果。

此前,已经有其他工程师设计出了各种概念和原型来解决不同场景下“临门一脚”的问题,包括由柔软的气球状材料制成的机器人,这些材料也会像藤蔓一样生长,可以挤过狭窄的缝隙。但 Tongxi Yan 表示这种柔性可扩展机器人不够坚固,不足以支持“末端执行器”或附加组件,如抓手、相机和其他传感器等,而这些设备都是执行任务所必需的。

Harry Asada 表示,他们的新型机器人很好地平衡了这个问题,他说:“该解决方案实际上并不是软的,而是巧妙地使用了刚性材料来进行组合。”

麻省理工研发“生长机器人”:像植物般萌芽,可挤入缝隙执行任务

(来源:MIT News)

奇特的链环设计

当 MIT 的研究团队确定了植物生长的一般功能要素之后,他们就试图在可扩展机器人领域上模仿出一般意义上的机器式“植物”生长。Asada 说:“实际上,机器人的实现与现实的植物完全不同,但它在一定的抽象水平上却展现出相同的功能。”

研究团队设计了一个齿轮箱来代表机器人的“生长尖端”,类似于植物的萌芽。在那里,随着更多的营养物质流向该部位,植物尖端会输送出更坚硬的茎干。而在盒子里,他们安装了一个由齿轮和马达组成的系统,该系统的作用是拉起一种流化的材料:一个由 3D 打印出的塑料单元相互连接而成的弯曲序列,类似于自行车的链条。

当链条被送进盒子时,它会转动绞盘,绞盘再通过第二套马达将链条上的某些部件与相邻的部件锁在一起。这样一来,链条在被送出盒子时就形成了一个刚性附件。

研究人员还可以对机器人进行编程,以便某一部分单元锁定在一起,而其他单元则保持解锁状态,这样可以形成特定的形状或让其只在某些方向上“生长”。在实验中,他们对机器人编程以使其绕着障碍物从自己的基座向外延伸,并在扩展时扭转自己延伸出的“手臂”。

“它可以被锁定在不同的地方,以不同的方式弯曲,并具有广阔的运动范围。”Tongxi Yan 说,“如果链条是锁紧的,并且是刚性的,那么其强度足以支撑一磅重的物体。如果在机器人的生长尖端或变速箱上安装一个夹具,那它就有可能在狭窄的空间里蜿蜒成长,然后再施加足够的扭矩来拧松一个螺栓或打开一个盖子。”

根据另一名 MIT 研究生 Kamienski 的说法,汽车维护是该机器人可以协助完成工作的一个很好的例子。“引擎盖下的空间是相对开放的,但如果要进行操作,人们必须要绕过引擎或其他组件才能到达机油滤清器等要处理的位置。一个固定的手臂是不能绕过它的,而这个机器人可以做到类似的事情。”

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