肌肉驱动的机器人腿比传统的机器人腿更有效
以肌肉为动力的新型机器人非常节能。它还可以执行跳高和快速运动,不需要复杂的传感器就可以检测障碍物,以及对障碍物产生反应。
机器人发明家和研究人员已经在开发机器人近70年了。到目前为止,他们制造的所有机器,无论是为工厂还是为其它地方,都有一个共同点:它们由电动马达提供动力。这项新型机器人技术已经有200年的历史了。即使是行走机器人的手臂和腿也是由马达提供动力,而不是像人和动物那样的肌肉提供动力。
这在一定程度上说明了为什么它们缺乏生物的移动性和适应性。但现在,一种新的肌肉驱动的新型机器人腿已经被证明比传统机器人腿更节能,但它也可以执行跳高和快速运动,以及检测和反应障碍物,而不需要复杂的传感器。
这条受动物启发的肌肉骨骼机器人腿,最近在《自然通讯》杂志上的发表,是由苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich) 和马克斯·普朗克智能系统研究所( Max Planck Institute)的机器人技术研究人员开发的。与人类和动物一样,伸肌和屈肌确保了机器人的腿可以向两个方向移动。这些电液驱动器,机器人技术研究人员称之为hasel,通过肌腱连接在骨骼上。
驱动器是充满油的塑料袋,类似于那些用来制作冰块的塑料袋。每个袋子的大约一半在两侧都涂有由导电材料制成的黑色电极。一旦一个电压被施加到电极上,它们就会相互吸引。当电压增加时,电极会越来越近,把袋子里的油推到一边,使袋子整体上更短。
这些附着在骨骼上的驱动器会产生与生物相同的成对肌肉运动。也就是说,随着一块肌肉缩短,对应的肌肉会延长。机器人技术研究人员使用与高压放大器通信的计算机代码来控制哪些执行器收缩,哪些扩展。
机器人技术研究人员比较了肌肉驱动的机器人腿和由电动马达驱动的传统机器人腿的能量效率。此外,他们还分析了有多少能量被不必要地转化为热量。通常,电动马达驱动的机器人需要热量管理,这需要额外的散热器或风扇来将热量扩散到空气中。肌肉驱动系统不需要散热器或风扇。
这种新型机器人腿的跳跃能力是基于它爆发式提升自己重量的能力。与需要传感器不断地确定机器人腿角度的电动马达不同,人工肌肉通过与环境的相互作用来适应合适的位置。这是由两个输入信号驱动的:一个是弯曲关节,另一个是延伸它。适应地形是一个关键的方面。
当一个人在跳到空中降落时,他们不需要提前考虑膝盖应该是90度还是70度弯曲。同样的原理也适用于机械腿的肌肉骨骼系统,在着陆时,腿部关节会根据表面的坚硬或柔软,适应性地移动到一个合适的角度。机器人技术通过先进的控制和机器学习,正在取得快速进展。相比之下,机器人硬件的进步少得多,这也同样重要。
电液执行器的研究领域还很新,它在大约六年前才出现,而且很可能才刚刚起步。简单性、能源效率和响应性意味着巨大的潜力。然而,电液驱动器不太可能用于建筑工地的重型机械,尽管它们比标准的电动马达有特殊的优势。这在抓握器等应用中尤其明显,在这些新型机器人应用中,动作必须根据高度定制的物体,例如是球、鸡蛋还是番茄。
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