折紙欠驅(qū)動(dòng)三指機(jī)械手,可有效抓取30多種各異物體
發(fā)布時(shí)間 : 2020-07-01
由于折紙的藝術(shù)靈活性,科學(xué)家們總能從中獲得很多啟發(fā),創(chuàng)建出很多不同組合結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。折紙機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)獨(dú)特的研究方向。
近期刊登于國(guó)際頂級(jí)機(jī)器人期刊《IEEE機(jī)器人學(xué)報(bào)(Transactions on Robotics)》的一篇文章介紹了一款受到“折紙扭轉(zhuǎn)塔(Origami Twisted Tower)”結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動(dòng)三指機(jī)械手,只需要一個(gè)舵機(jī)的控制,該機(jī)械手就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維空間變形抓握,并且有效抓取30多種形態(tài)各異的物體。
這款機(jī)械手被證明可以有效地降低傳感器的精度需求,簡(jiǎn)化抓取物體時(shí)對(duì)于抓取算法的要求。該項(xiàng)研究由凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University),約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University,)以及德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)的研究者提出并完成。
折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手
折紙是依靠對(duì)紙張的折疊而讓其呈現(xiàn)各種形狀和花樣的藝術(shù)。據(jù)考證,其起源可以追溯到中國(guó)宋朝,并在日本得到廣泛的發(fā)展。不需要額外的裁剪和粘貼,折紙高手就能夠折疊出非常復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。折紙藝術(shù)能夠把2維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3維結(jié)構(gòu),科學(xué)家們?cè)缫褜⒄奂埣夹g(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,其中一個(gè)非常典型的例子就是太空飛船上的折紙結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池板。
折紙結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能板
基于折紙技術(shù),機(jī)器人學(xué)家們也開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的機(jī)器人設(shè)計(jì)研究方向:折紙機(jī)器人(origami robot),這類機(jī)器人和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人(由連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成)由很大差異,它們具有結(jié)構(gòu)輕巧,加工制造簡(jiǎn)單,以及可以進(jìn)行復(fù)雜變形等特點(diǎn),頗受機(jī)器人設(shè)計(jì)者的鐘愛(ài)。
典型的折紙機(jī)器人
今天介紹的是基于一種特殊的折紙方法,折紙扭轉(zhuǎn)塔(origami twisted tower)設(shè)計(jì)的三指欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。折紙扭轉(zhuǎn)塔,顧名思義,是像塔一樣的多層折紙結(jié)構(gòu),當(dāng)扭轉(zhuǎn)每一層的時(shí)候,整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)沿著塔身收縮, 這種由復(fù)雜的三維空間變形(扭轉(zhuǎn)收縮)的機(jī)理非常適用于欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
研究者稱他們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手為扭轉(zhuǎn)之手(Twister Hand)。這款機(jī)械手僅有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉線驅(qū)動(dòng),可以用來(lái)抓取不同形狀,重量,尺寸以及紋理的物體。每一只手指由一個(gè)柔順連續(xù)的折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)而設(shè)計(jì)。研究者設(shè)計(jì)了手指的三維CAD模型,并且用3d打印的方式以一體制造。機(jī)械手是拉線欠驅(qū)動(dòng)(underactuated,欠驅(qū)動(dòng)指的是結(jié)構(gòu)輸入端的自由度小于輸出端的自由度,即用簡(jiǎn)單的輸入實(shí)現(xiàn)了更多自由度的輸出)的,每根手指有一根線,三根線匯聚到舵機(jī)的輪盤(pán)處進(jìn)行驅(qū)動(dòng)(拉線,放線),拉動(dòng)線就可以驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復(fù)雜形變。研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),僅僅用無(wú)需傳感器的開(kāi)環(huán)抓取控制就可以實(shí)現(xiàn)30多種形態(tài)各異的物體的抓取。
該項(xiàng)研究由凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University),約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University,)以及德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)(TexasA&M University)的研究者提出并完成。我們先來(lái)看一些精彩的抓取展示,在下一部分為大家詳細(xì)解讀這款折紙啟發(fā)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)理念。
抓取電線卷
抓取雞蛋
抓取手帕
抓取變形的魔方
抓取薯?xiàng)l盒
研究者提出的扭轉(zhuǎn)手結(jié)構(gòu)有一下特點(diǎn):1. 具有連續(xù)變化的特性,彎曲,扭轉(zhuǎn)和收縮的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。2. 具有柔順的特性,折紙結(jié)構(gòu)自身具有柔順特性,另外通過(guò)特定的材料選擇使用也可以讓結(jié)構(gòu)具有進(jìn)一步的柔順性。3. 可被重構(gòu)性,可以被用于設(shè)計(jì)各種不同的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。4. 尺寸可調(diào)整性,同樣的結(jié)構(gòu)可大可小,功能不變。
折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)可以用任意邊數(shù)大于3的多邊形來(lái)構(gòu)造,在這里研究者展示了兩種多邊形,分別是六邊形和八邊形。假設(shè)我們固定下端的多邊形,那么當(dāng)扭轉(zhuǎn)上層的多邊形時(shí),中間的支撐結(jié)構(gòu)就會(huì)向一側(cè)傾斜,整個(gè)上層結(jié)構(gòu)就會(huì)向下層靠近。
折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)
研究者希望能夠用3d打印的方法一體成型這種折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu),因此設(shè)計(jì)了兩種CAD模型,并且打印出來(lái)驗(yàn)證它們的可行性。左邊的是利用了不同組元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,硬體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)式獨(dú)立的,只是在連接處相連。右邊的結(jié)構(gòu)是采用了不同的設(shè)計(jì)方式,將硬體結(jié)構(gòu)完全的嵌入到了柔性結(jié)構(gòu)當(dāng)中。
兩種不同的CAD模型
測(cè)試模型由Stratasys公司的Objet350 Connex3 打印機(jī)打印,軟材料采用了TangoPlus,硬材料則采用了VeroWhite。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知,雖然軟硬結(jié)構(gòu)分開(kāi)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)這折紙扭轉(zhuǎn)塔的變形,但是它非常的不耐用,如果重復(fù)扭轉(zhuǎn)幾次的話,在連接處會(huì)出現(xiàn)非常明顯的裂紋。而硬體內(nèi)嵌軟結(jié)構(gòu)式的設(shè)計(jì)則更為耐用,因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)避免了由硬結(jié)構(gòu)到軟結(jié)構(gòu)突然的轉(zhuǎn)變。因此最終研究者采用這種硬結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌到軟材料當(dāng)中的設(shè)計(jì)。
不同的CAD模型3d打印件測(cè)試
最終采用的設(shè)計(jì)方——硬材料內(nèi)嵌于軟材料之中
研究者最終采用了六邊形和10層扭轉(zhuǎn)塔的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)每一個(gè)手指。每根手指都采用了硬材料內(nèi)嵌到軟材料中的設(shè)計(jì)方法打印。手指的重量?jī)H僅有13g。完全伸展的整個(gè)長(zhǎng)度大約129.95mm,收縮后長(zhǎng)度為32mm,大約有4倍的變形效果。將一根線穿過(guò)每一層結(jié)構(gòu),拉動(dòng)線就可以驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復(fù)雜形變。研究者提出了兩種走線方式,螺旋型走線和折線形走線。在本設(shè)計(jì)中,采用了折線形走線的驅(qū)動(dòng)方式。
折紙扭轉(zhuǎn)塔手指設(shè)計(jì)
當(dāng)把三根手指裝配到僅有一個(gè)舵機(jī)的底座上,便得到了一個(gè)TWISTER Hand扭轉(zhuǎn)之手。它結(jié)構(gòu)緊湊,用一個(gè)舵機(jī)就可以控制機(jī)械手的開(kāi)合,整個(gè)手的重量大約僅有280g。
機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
這款機(jī)械手展示了優(yōu)異的抓取特性,可以抓取日常生活中的很多物體,比如橙子,塑料杯,以及一袋巧克力豆。這都?xì)w功于折紙結(jié)構(gòu)的手指復(fù)雜的變形和結(jié)構(gòu)柔順的特性,讓機(jī)械手有了絕佳的適應(yīng)性。
抓取展示,橙子,塑料杯,巧克力小吃
事實(shí)上,研究者一共測(cè)試了近36種物體,它們有不同的形狀,尺寸,重量還有紋理。抓取成功的標(biāo)準(zhǔn)是每一件物體抓取10s鐘不掉落。除去鉛筆,香蕉沒(méi)有成功抓取外,其余物體都被成功抓取(注意是開(kāi)環(huán)控制),向我們證明了這款欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)大的抓取能力。
用于抓取測(cè)試的36種物體,全部成功抓取
研究者還進(jìn)行了一項(xiàng)非常有趣并且實(shí)用的測(cè)試,就是機(jī)械手在以不同的角度接近被抓去物體時(shí),抓取的成功率。
抓取測(cè)試平臺(tái)-不同角度的抓取方向
可以看到,在研究者給出的三種抓取方向種,0度,30度和60度來(lái)說(shuō),100%抓取成功區(qū)域(綠色區(qū)域)的面積分別為86,81以及85平方厘米。67%抓取成功率(紅色區(qū)域內(nèi))的面積為93,88和86平方厘米。
不同抓取角度下有效抓取面積
和傳統(tǒng)機(jī)器人相比,柔性的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有著很大的應(yīng)用潛力,例如只用很簡(jiǎn)單的控制和傳感就可以實(shí)現(xiàn)和環(huán)境或者人類的柔順交互。今天小編介紹的這項(xiàng)研究就是利用折紙結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)柔性的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。這種機(jī)械手可以有效地降低傳感器的精度需求,簡(jiǎn)化抓取物體時(shí)對(duì)于抓取算法的要求。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)設(shè)計(jì)被做成不同的尺寸,不同的結(jié)構(gòu),從而被應(yīng)用到更多的場(chǎng)景中去。
高級(jí)的算法和控制對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用固然重要,但算法和傳感器總歸有失效或者是出錯(cuò)的時(shí)候。如果能夠通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些巧妙地結(jié)構(gòu),讓機(jī)器人具有自體的柔順行,從而降低整個(gè)機(jī)器人對(duì)于傳感器和控制算法的依賴性,這是一個(gè)值得大家注意的發(fā)展方向。