一只靈巧的“蟲子”，牢牢地抓住圓形管，一伸一縮中蜿蜒前行。其實(shí)，這只靈活的“蟲子”是一款采用了天津大學(xué)科研人員左思洋、劉建彬課題組研發(fā)的新型模塊化柔性驅(qū)動方法3D“打印”出來的軟性機(jī)器人，可應(yīng)用于人工肌肉和管道爬行機(jī)器人中。該成果今年1月初在線發(fā)表在《美國電氣電子工程師學(xué)會機(jī)器人和自動化快報(bào)》上。
軟性機(jī)器人因其較高的柔性、對人體安全等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛關(guān)注。3D打印的優(yōu)勢在于制造復(fù)雜形體、復(fù)雜結(jié)構(gòu)可一次成型，不需要后續(xù)加工。打印免組裝結(jié)構(gòu)，是3D打印技術(shù)制造軟性機(jī)器人比較典型的應(yīng)用。
左思洋、劉建彬課題組提出了一種基于薄膜氣缸的新型模塊化柔性驅(qū)動方法，可根據(jù)具體應(yīng)用改變排列組合方式以及合理布置連接方案，將其應(yīng)用于人工肌肉和管道爬行機(jī)器人中。
“每一個(gè)薄膜氣缸就好比人體的一小塊肌肉，或者爬蟲的一個(gè)‘節(jié)’，只不過是用熱塑性聚氨酯材料做的。”劉建彬解釋說，如果把這個(gè)新型薄膜氣缸結(jié)構(gòu)比喻成一個(gè)基本的肌肉單元，根據(jù)不同的應(yīng)用需求對這些單元的連接方式進(jìn)行組合，就像是把一個(gè)個(gè)肌肉單元連接起來形成一整塊肌肉，然后再應(yīng)用于不同場景。
整塊“肌肉”的制造過程采用了3D打印技術(shù)，一次成型，省掉了傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備加工制造中的裝配流程，大幅降低了驅(qū)動模塊的制造成本和周期，且具備耗氣量小、動態(tài)響應(yīng)高、可靠性高、對應(yīng)用場景適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
基于此創(chuàng)意，課題組首先提出了一種新型氣動人工肌肉，可應(yīng)用于柔性外骨骼等人機(jī)交互裝備的驅(qū)動中。氣動即以壓縮空氣為動力源，帶動機(jī)械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動作。與傳統(tǒng)氣動人工肌肉相比，該設(shè)計(jì)最突出的特點(diǎn)是不會產(chǎn)生厚度方向的膨脹，從而避免了對人體的擠壓。
此外，課題組還提出了一種新型氣動管道爬行機(jī)器人，可應(yīng)用于工業(yè)管道設(shè)施的檢查和實(shí)時(shí)監(jiān)控。該管道爬行機(jī)器人采用仿生尺蠖原理，通過巧妙布置薄膜氣缸單元之間的連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)、外壁面爬行。柔性驅(qū)動方式的應(yīng)用使該機(jī)器人能夠適應(yīng)大范圍管道直徑的變化，并可應(yīng)對直管、彎管、豎管、水平管以及各種角度傾斜管的應(yīng)用場景，同時(shí)機(jī)器人可承受自重80倍以上負(fù)載。
因?yàn)椴捎昧藲鈩臃椒?qū)動，軟性機(jī)器人只能拖著長長的氣管尾巴工作。如果將傳感器集成到設(shè)備中，就能去掉這些氣管尾巴，使機(jī)器人更獨(dú)立精致。
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