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北京大學(xué)：具有地形自適應(yīng)和兩棲著陸能力的全 3D 打印烏龜啟發(fā)軟機(jī)器人

2023-03-22

由于兩棲機(jī)器人使用相同的系統(tǒng)在陸地和水中移動(dòng)，它們對(duì)安全、工業(yè)、國防和交通運(yùn)輸產(chǎn)生了重大影響。在過去的數(shù)十年，使用柔性材料和順應(yīng)性來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的軟機(jī)器人已被證明是有前途的，它們可以簡(jiǎn)化與復(fù)雜環(huán)境的交互并以安全的方式與人類交互，此外，軟機(jī)器人為非電子機(jī)器人提供了在特殊環(huán)境下運(yùn)行的可能性。特別是，軟機(jī)器人對(duì)外部沖擊具有很強(qiáng)的彈性，可以在惡劣的環(huán)境中有效地工作。此外，軟機(jī)器人具有通過避免機(jī)械部件（例如傳統(tǒng)機(jī)器人中廣泛使用的硬鏈接）來簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的軟性兩棲機(jī)器人仍然需要人工輔助才能實(shí)現(xiàn)兩棲運(yùn)動(dòng)（從水中移動(dòng)到陸地，反之亦然）。

針對(duì)上述問題，北京大學(xué)的研究人員使用3D打印開發(fā)了一種仿生兩棲軟機(jī)器人(BASR)，其靈感來自兩棲動(dòng)物（烏龜）的腿。基于BASR的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，腿在3D空間的水平、垂直和兩個(gè)方向的組合中產(chǎn)生位移。通過水平移動(dòng)，BASR能夠向前移動(dòng)，而在垂直方向，BASR可以抬起它的腿或身體來克服障礙。BASR只需使用四個(gè)氣動(dòng)輸入端口即可產(chǎn)生六種步態(tài)，以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。依靠BASR步態(tài)的切換，可以分別實(shí)現(xiàn)在陸地（剛性地形、丘陵、縫隙、斜坡、碎石、沙地、泥濘地形）的運(yùn)動(dòng)和水面的游泳。此外，鑒于其仿生腿的大變形和快速響應(yīng)，BASR在運(yùn)動(dòng)速度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，直線運(yùn)動(dòng)速度為每秒0.97體長(zhǎng)（BLs-1），轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)速度（25.4°s-1）。該機(jī)器人在現(xiàn)有的軟爬行機(jī)器人中具有最佳的整體性能，例如向前運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎速度。

如圖1(a-e)所示,在陸地或水下旅行時(shí)，它的腿從圖1(b、c)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。如圖1(d、e)所示，兩段式彎曲致動(dòng)器由兩個(gè)垂直的氣室組成，氣室之間的連接充當(dāng)仿生關(guān)節(jié)。它的靈感來自烏龜?shù)耐汝P(guān)節(jié)。因此，執(zhí)行器可以通過單一的驅(qū)動(dòng)壓力輸入成功實(shí)現(xiàn)3D運(yùn)動(dòng)。仿生烏龜軟體機(jī)器人（圖1(f)）模仿烏龜?shù)耐龋梢蕴鹕眢w越過障礙物并獲得前進(jìn)的動(dòng)力。仿生腿的CAD模型及其橫截面圖如圖1(g)所示。兩段式彎曲執(zhí)行器包括左氣室和右氣室。仿生腿的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=76.5mm；“右氣室”的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=35mm，壁厚T=1mm。仿生腿使用FDM進(jìn)行3D打印，如圖1(h)所示，重12.5g。圖1(i)展示了制造的軟兩棲機(jī)器人。它主要由四個(gè)仿生腿組成，由兩節(jié)彎曲致動(dòng)器作為腿，以及一個(gè)SLA3D打印的外殼（125.6克）作為可更換的身體（軀干）。

圖1受烏龜啟發(fā)的仿生腿和柔軟的兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)。(a)陸龜可以進(jìn)行兩棲運(yùn)動(dòng)。在陸地或水下行駛時(shí)，它的腿可以從(b)中的狀態(tài)過渡到(c)中的狀態(tài)。(d,e)受腿部啟發(fā)的兩段式彎曲致動(dòng)器。它可以從(d)中的狀態(tài)過渡到(e)中的狀態(tài)，類似于烏龜腿。(f)受烏龜啟發(fā)的軟體兩棲機(jī)器人的整體外觀。(g)仿生腿的CAD模型及其橫截面圖。(h)FDM3D打印軟仿生腿的制造過程。(i)軟兩棲機(jī)器人的照片。

該兩棲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)制為：四個(gè)氣動(dòng)軟彎曲執(zhí)行器由外部空氣壓縮機(jī)(OTS-550×4)驅(qū)動(dòng)，通過四個(gè)軟管連接到機(jī)器人。每條腿的運(yùn)動(dòng)由連接到每根管子的一個(gè)電磁閥控制。閥門由和繼電器直接控制（圖3a）。隨著施加的驅(qū)動(dòng)壓力變化（紅色代表負(fù)壓；藍(lán)色代表正壓；同樣如此,下），仿生腿向不同方向彎曲（圖3b）。為了使機(jī)器人在不同的復(fù)雜工作環(huán)境中可操作，我們通過驅(qū)動(dòng)具有不同序列的四個(gè)仿生腿來研究六種步態(tài)（圖3c）。烏龜?shù)耐韧ㄟ^踩在地上并交替抬起前后腿來直線移動(dòng)。右轉(zhuǎn)時(shí)，烏龜以右腿為軸保持不動(dòng)，而其他三只腿移動(dòng)轉(zhuǎn)向。步態(tài)1、2和3是通過學(xué)習(xí)烏龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)步態(tài)開發(fā)的，這使BASR能夠?qū)崿F(xiàn)類似于烏龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)行為。此外，步態(tài)4、5、6已經(jīng)獨(dú)立開發(fā)，以適應(yīng)不同的環(huán)境。步態(tài)6可以與步態(tài)1結(jié)合，實(shí)現(xiàn)類似于海龜游泳姿勢(shì)的兩棲著陸。

圖2BASR運(yùn)動(dòng)機(jī)制示意圖。(a)每條腿的運(yùn)動(dòng)由連接在每根管子上的一個(gè)電磁閥控制。閥門由繼電器直接控制。(b)隨著施加的驅(qū)動(dòng)壓力的變化，仿生腿向不同的方向彎曲（紅色代表負(fù)壓，藍(lán)色代表正壓），從而導(dǎo)致機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)。(c)通過以不同的順序驅(qū)動(dòng)四個(gè)仿生腿，開發(fā)了六種步態(tài)，使機(jī)器人能夠在不同的復(fù)雜工作環(huán)境中運(yùn)行

盡管該兩棲運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人具有非常高的地形適應(yīng)性與高直線速度與轉(zhuǎn)彎速度，顯示出在非機(jī)構(gòu)化環(huán)境中的導(dǎo)航能力，表現(xiàn)出其在搜索、偵察等局勢(shì)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。然而，其在工作時(shí)需要一個(gè)外部氣泵，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的功能，因此開發(fā)一種帶有板載電源和控制電路的完全不受束縛的軟體機(jī)器人將進(jìn)一步推進(jìn)該兩棲機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。

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