目前的水下機器研究大多集中於常見的魚類,例如金槍魚、鯉魚等,很少能夠實現垂直方向上游動。最近,
德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員Yonas Tadesse等人研發了一種可快速垂直遊動且有一定有效載荷的仿生水母軟體機器人。相比於傳統剛性機器人而言,軟體機器人採用變形較大的柔性材料製成,可以實現大尺度連續變形,並任意改變自身的尺寸和形狀。與此同時,柔性材料的使用使得軟體機器人比剛性機器人質量輕,可實現與人的安全協作。
該仿生水母軟體機器人的主要運動機制是通過向機器人下方噴射流體產生反作用力,推動其在水環境中進行垂直運動。生物界中很多動物都有可充氣結構,並實現各種不同的功能。研究人員受此啟發,設計一種柔性氣動複合執行器(soft pneumatic composite actuators),由一臺空氣壓縮機提供動力,該壓縮機使執行機構膨脹並彎曲,以產生平穩的運動。同時,研究人員還對其承載載荷的能力進行了實驗驗證。
新型的柔性氣動複合執行器
在哈佛大學開發的執行器之上,研究人員進行了一定的改進,設計了一種新型的柔性氣動複合執行器。 該執行器由一個單腔室和外層的薄彈簧鋼組成,後者會膨脹以產生彎曲運動。為了產生彎曲運動,將不可拉伸的材料嵌入到軟材料中。設計執行器的主要思想是在側面具有最大厚度,在頂部具有最小厚度,以最大程度地利用進入腔室的空氣量。腔室內的壓力將遵循阻力最小的路徑,因此與側面相比,致動器頂層的充氣更大。該執行器的主要材料為有機硅膠樹脂,同時採用彈簧鋼作為不可擴展層。
仿生水母軟體機器人
仿生水母軟體機器人結構的設計靈感來自生物界中水母的運動,其整體結構與之前的機構相似。它具有八個柔性氣動複合執行器執行器,呈放射狀的圓盤狀排列。
與以前的水母機器人原型機相比,這種仿生水母軟體機器人(FludoJelly)具有最快的垂直運動速度。這是由於使用新型的柔性氣動複合執行器架構,可通過壓縮空氣快速驅動執行器,從而產生較大的瞬時推力,實現垂直方向上的快速遊動。
總結和展望
該仿生水母軟體機器人採用了一種新型的充氣式柔性氣動複合執行器,實現具備一定載荷的快速垂直遊動。除了軍事監視之外,
該機器人在未來還可以用於水下快速救援、海底探測、資源勘探、水下地形勘測等方面。Yonas Tadesse,目前擔任德克薩斯大學達拉斯分校副教授,2009年獲得弗吉尼亞理工大學機械工程系博士學位。
主要研究方向為人形機器人技術,智能材料,傳感器和執行器的新興應用,機電一體化系統,仿生機器人技術等。相關鏈接
論文鏈接:
https://www.mdpi.com/2218-6581/8/3/56/htm
實驗室鏈接:
http://www.utdallas.edu/~yonas.tadesse/
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