科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

发表于 2016-6-12 14:20:00 显示全部楼层 0 10842

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不知您是否注意到,在自然界里,大多数昆虫的体型都相当小,但是这并不能阻止它们占领整个地球。一直以来,机器人专家们都在尝试制造出尺寸堪比普通昆虫的小机器人。但是严格来说,这些机器人仍然比较大,差不多相当于巨甲虫或者蛾子的大小。而大多数昆虫都要比这小得多。体型的不同,也就意味着它们体验世界的方式大不相同,因此,要对其进行有效地研究就变得困难多了。
在上个月举办的世界机器人与自动化大会(ICRA)上,来自美国马里兰大学的Ryan St. Pierre和Sarah Bergbreiter教授提交了一篇关于重量不到2克的磁驱动有足机器人的步态特征的论文。为更加深入地研究微型机器人打开了大门。

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

实际上,从2009年以来,这种硬币大小、重量仅有几克的机器人就已经不断出现了。2009年,加州大学伯克利分校展示了其仅有2.4克重的6足自主爬行机器人(RoACH);几年后,哈佛大学的微型步行机器人(HAMR)就将腿的数目减少 到了4个,而质量仅有1.7克。不过,这些微小的机器人固然很酷,但它们大多数仅仅是为存在而设计的,也就是说,能走几步就不错了,根本无法进行针对小机器人动力学的实验测试。
为了找出最适合这种非常小的有足机器人的最佳步态,Ryan St. Pierre最初的计划是先制造出像RHex这样的轮腿式六足机器人,然后再缩小其尺寸。据天工社了解,RHex的优点是其每条腿都可以独立控制,因此很容易进行各种不同步态的实验。不过一开始小RHex机器人表现得并不好,因为它的腿往往会锁在一起,所以Ryan去掉了中间的两条腿,使其变成了轮腿式4足机器人。值得一提的是,整个机器人都是一次3D打印而成的,无需组装。当打印出来之后,您只需在上面装上电动机,它就能行走了。
由于这些机器人体型太小(每个四足机器人仅20毫米长,5.6毫米高、重量约为1.6克),因此无法使用传统的马达和电池。与此相反,该机器人主要靠一个外部磁场产生的磁力驱动。具体来说,每个机器人腿根部都植入了一个2毫米的钕磁铁块,当您在离机器人足够近的距离旋转一个巨大的磁体时,转动的磁场这些小的磁铁旋转,进而驱动机器人的双腿。通过改变其腿部磁铁偶极的方向并且进行不同的组合,就能使机器人按照不同的步态移动,比如小跑、像鸭子一样摇摆着走、弹跳和四腿蹦跳(pronking)等:

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

在平地上,以10赫兹驱动的四腿蹦跳步态可以达到78毫米/秒的平均最高速度,即每秒近四个身长。另外四腿蹦跳也被证明是在崎岖度适中的地形上表现最好的步态,不过随着崎岖度的加剧,其它步态反而表现得更好。
“我们已经了解可更多关于步态动力学的知识,比如机器人在其移动时身体前后俯仰得越多,在跨越崎岖的地形时就越有效率,但是在平坦的地形上这种方式会更慢。”Ryan说。
Ryan称,在3D打印机的帮助下,他只需一步就能制造出一大堆这样的微型机器人,而且精确度很高,这就大大加快了他的研究过程。而且,只要能够装得下小磁铁,他就能将机器人变得更小,请看下图:

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

科学家借助3D打印研究微型机器人的步态特征

这是一个一角硬币大小、100毫克的四足机器人,但是表现得与那些更大的机器人没有什么区别,因此这些机器人没有任何理由不会变得更小。Ryan说:“要使机器人尽可能地小始终是一个有趣的挑战。目前,我正在制作一个机器人,使用相同的设计,但只有2.5毫米长,比我们在ICRA上展示的小一个数量级。更小的机器人能够实现我们以前无法想象的功能。”

(编译自IEEE Spectrum)来源:天工社
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