软体机器人在服装领域的应用进展

软体机器人由可变形材料制成,具有柔顺性高、适应性强等优势,现已成为机器人领域的研究热点,并在加速服装智能化进程中发挥重要作用。为促进软体机器人技术与服装领域的融合发展,根据当前软体机器人的研究进展,聚焦于软体机器人关键技术,总结其在制作材料、制作方法、驱动方式及控制与建模4个方面的研究现状;对软体机器人在纺织面料抓取与转移、上肢辅助及下肢辅助服装上的应用情况进行综述。研究认为:可利用智能软材料和微加工技术实现控制元件微型化;结合织物性能特点提高面料自动抓取与落料精度;可穿戴软体机器人在优化设备技术性能的同时,要对整个人机系统进行持续评估和迭代开发,提高人机交互便捷性,以促进软体机器人行业与服装领域的深度融合。

面向软体机器人的磁流变弹性体变刚度模型研究

软体机器人在柔性抓取时存在手爪刚度单一不足的情况,而且磁流变弹性体的变刚度范围有限,本文提出了一种变刚度范围大的磁流变弹性体模型。在磁流变效应基础上设计了一种以磁流变弹性体为主体材料的“菱形”变刚度模型,并给出了3D打印模型与铸造技术工艺。通过电磁铁产生的磁场,构建了一种磁-力耦合模型,分析了“菱形”变刚度模型主要刚度变化关系,探索了影响模型变刚度的因素。通过建立的实验平台,结果表明:本文提出的“菱形”模型可以大幅提高磁流变弹性体的变刚度范围,并且可以实现通过控制电流大小来控制模型的刚度大小,含有3个“菱形”结构的模型在磁场下刚度变化的百分比可以高达约58%,可使磁流变弹性体作为类“皮肤”应用在软体机器人手爪上。

软体机器人在康复训练领域的应用

针对传统的刚性机器人存在适应性差、灵活性低、操作和携带不便等问题,介绍了软体机器人在康复训练领域的应用前景。首先,依据软体机器人的来源,对其所使用的材料、驱动技术、传感和控制等关键技术进行介绍和分析;其次,归纳目前软体机器人在人体不同部位执行康复训练任务的研究和应用现状;再次,从材料、结构和控制等方面介绍了康复训练软体机器人所面临的问题;最后,对康复训练软体机器人的未来发展和应用进行展望,以期为康复训练软体机器人的后续研究提供参考。

双模式形变驱动变构软体机器人

当前软体机器人利用单类型执行器组合形成某种特定构型,无法通过改变构型适应可变环境.为提高软体机器人的环境适应能力,结合收缩和弯曲的双模式形变驱动机理,利用两种执行器构建多类型的可变构型软体机器人,借助正负压驱动控制系统,实现多种运动和操作功能.提出海绵基体结合束缚层的收缩形变和弯曲形变驱动方法,设计对立面束缚的收缩形变单元及对立面和底面共同束缚的弯曲形变单元.组合收缩形变单元和弯曲形变单元,构造仿尺蠖爬行软体机器人和手足复用软体机器人.提出结合负比例阀和电磁阀的正负压气动控制系统,输出负压驱动收缩形变、弯曲形变和吸盘吸附;输出正压控制形变单元的快速恢复,实现变构型软体机器人的驱动控制.抓取、爬行、爬坡、转向、转向直行和爬管实验结果表明,仿尺蠖爬行软体机器人能在23°斜坡上爬行,手足复用软体机器人能抓取1.2 kg物体,进而验证变构型软体机器人的环境适应和功能复用能力.

纺织基软体机器人结构设计与驱动性能研究

针对现有软体气动机器人制备成本高、设计灵活性差、功率密度低、控制技术复杂等问题,文章以鞘芯结构的涤纶∕氨纶弹性纱为基材编织针织罗纹组织,以涤纶纱为纬向衬垫纱间隔织入,形成力学各向异性的针织衬纬组织,并将该衬纬组织作为包覆层与气囊内胆装配,实现具有高致动应变、低能量耗散的高性能纺织基气动机器人开发。文章通过力学性能和驱动变形测试,表征分析了衬纬组织织物层的各向异性力学特征和针脚排列方式等因素对软体机器人驱动性能、变形特征、输出力和运动状态的影响规律。结果表明:纺织基软体机器人展现了优良的弯曲应变(弯曲曲率可达0.27 cm^(-1)),高的驱动力输出(13 N∕kg)。此外,开发的纺织基气动机器人具有低成本、设计灵活快捷、操控简单等优势,可通过编织结构设计和针脚方向的配置实现多模式的复杂变形,在可穿戴医疗康复训练设备和软体抓取器件等领域具有可观的应用前景。

软体机器人动力学建模与计算研究进展

由刚性结构制成的传统机器人存在灵活性差、环境适应能力低、人机交互不友好等缺点,而近些年受自然界生物启发研制的各类软体机器人则可克服这些缺点,但由于具有无限自由度,软体机器人的优化设计与在线控制尚面临诸多瓶颈.通过力学建模与数值仿真,则能够更好地理解其形变过程,进而指导软体机器人的设计与制造.本文聚焦最新的软体机器人动力学仿真研究,关注结构建模方法和交互仿真方法在理论计算中的应用.在结构建模方法中,从三维实体单元模型出发,介绍有限元方法的基本原理及其在静态模型、可微框架和可微投影动力学等策略中的应用;在板壳模型方面,探讨经典的基尔霍夫-勒夫板壳模型和离散壳模型.接着在结构建模中聚焦简化模型,包括基于一维降阶模型的细长结构仿真,其中涵盖了分段常曲率模型、Cosserat杆模型和绝对节点坐标方法等基本模型理论.通过典型工作的案例,探讨了一维简化模型的优势与缺点,并介绍了质量弹簧阻尼经典模型的操作方法以及最新的相关工作.在交互仿真技术中,围绕动力学仿真,涵盖外部环境交互和外场驱动交互两个方面,探讨了软体机器人动力学仿真中的挑战与应对策略.此项工作旨在为机器人开发者提供全新的动力学仿真思路,实现更逼真的仿真效果,进而为软体机器人的优化设计及在线控制提供理论支撑.

基于视觉的软体机器人位姿测量与控制

气动软体机器人具有良好的灵活性和安全性,适合在非结构化的复杂环境中执行任务。因为很难在软体机器人上安装传感器来直接测量形状和位姿,故难以实现精确的位置控制,其运动精度一般远低于传统刚性机器人。针对上述问题,提出了一种基于视觉的软体机器人形状重建、位姿测量以及逆运动学控制的方法。实验结果表明,采用该方法的软体机器人末端执行器位置的均方根误差小于6 mm,测量关键点位置误差小于2.80 mm,整体形状的位置偏差为1.67 mm,弯曲角度、偏转角度平均误差分别为3.6°和3.4°,控制到达期望位置和角度的最大误差分别为3.47 mm和0.24°。实验结果表明所提出的位姿测量和控制方法对提高软体机器人的运动精度和工作能力有很大的作用。

基于光子晶体结构色传感器的软体机器人运动检测方法

为了解决软体机器人难以实现基于实时反馈信号的精确运动控制的问题,提出了一种基于光子晶体结构色传感器色相的软体机器人运动检测方法。该方法的工作机理在于,当软体机器人活动时,集成在其上的光子晶体结构色传感器颜色会发生变化,通过图像处理技术检测这些色相变化,并根据色相信号和运动状态之间的映射关系,实现对软体机器人运动状态的跟踪监测。色相检测稳定性测试结果表明,不同亮度和饱和度下的平均色相值分别为179.97°、179.67°,标准差分别为0.51、0.36。

基于3D打印硬磁软材料的磁控软体机器人开发

近年来,磁软体机器人因其优异的生物安全性、环境适应性和快速响应能力受到广泛关注,在生物医疗等领域展示出巨大的应用潜力。本文针对磁软体机器人的墨水直写(DIW)3D打印问题,根据需求和材料特性进行材料设计优化,制备了具有稳定可打印性的硬磁软材料墨水。在此基础上,通过流变性实验验证了混合墨水的可打印性,使用DIW完成了对硬磁软体机器人的制造。之后,设计并制造了一种用于货物搬运的多模态磁软体机器人,在外磁场的作用下机器人可以以爬行和滚动两种模式运动,兼具货物搬运和放置的能力。本文所提出的磁软体机器人3D打印方法将为以后磁软体机器人的材料选择和广泛应用提供基础。

一种可变直径软体机器人的设计

为了解决刚性机械手安全性低、适应性差的问题,设计了一款具有抓取功能的软体机器人。该软体机器人由三个呈圆周120°分布的软体驱动器和一个夹具组成,夹具可以实现自动化改变直径以适应不同大小物体的抓取,经测算软体机器人可以抓取直径范围为45~97 mm的物体。夹具和软体驱动器都采用3D打印制造,具有成本低、制造简单、易于大规模生产的优点。软体机器人采用气压驱动,当给驱动器充气时,三手指同时弯曲抓取物体,具有很好的稳定性。对于软体驱动器建立了相应的力学模型,得到了弯曲角度与输入气压的关系,并利用ABAQUS有限元仿真软件对驱动器弯曲特性进行仿真。对比发现,理论建模和仿真分析在驱动器弯曲角度具有很高的吻合性。

《Nature》子刊:中美三校合作,开发用于远程操控食欲的口服软体机器人

近日,浙江大学南科望研究员联合香港城市大学于欣格教授和麻省理工学院Giovanni Traverso教授,在《Nature Communications》上发表的一篇研究显示,该研究另辟蹊径,寻求运用非药物、无创、可远程操控的方法来调节活体内的胃饥饿素水平,团队合力研发了一款可吞服、无电池、组织黏附的软体机器人(ingestible,battery-free,and tissue-adhering robotic interface,IngRI)用于非侵入性的胃部电刺激,并在成年猪体内实现了胃饥饿素水平的调节。

同济大学机械与能源工程学院教授唐一超及团队刚柔并济打造软体机器人的坚硬外壳

时间的指针拨回到2022年8月,在上海市科协、上海科技发展基金会举办的世界人工智能大会首届青年科学家论坛上,“2022世界人工智能大会青年优秀论文奖”揭晓,同济大学机械与能源工程学院唐一超教授赫然在列。猎豹等脊椎动物在高速运动时,可以通过协调脊柱和相邻肌肉快速储存和释放能量。唐一超受此启发,与课题组针对目前软体机器人在能量输出方面的局限性,研发了一种多用途、多任务新型软体机器人——LEAP机器人,除了具备双稳态储能脊椎这一“法宝”,还可以快速储存和释放能量。据唐一超介绍,这个机器人大有来头。微型的LEAP机器人,可以通过注射或吞服等无创方式“进入”人体内进行健康监测。

科研人员开发出物理智能控制的新型软体机器人

美国北卡罗来纳州立大学研究人员设计了一种新的软体机器人,它可同时进行3种行为:向前滚动、像唱片一样旋转,以及沿着围绕中心点运行的路径移动。该设备无需人工或计算机控制即可运行,有望开发可用于导航和绘制未知环境的柔性机器人设备。2024年1月8日,该研究论文发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

基于模糊控制算法的软体机器人系统

模仿自然界软体动物运动的软体机器人,在人机交互、医疗服务等领域具有非常广泛的应用前景。基于模型的控制在解决机器人运动学模型的前提下能够很好地基于模型求解驱动输出,从而进行较好的控制。针对线驱动软体机器人进行软硬件的设计,在ROS平台进行各系统软件节点设计,结合模糊控制与局部线性子系统,设计多项式模糊模型控制器并对该系统进行稳定性分析。实验表明,基于多项式的模糊控制算法,可以控制软体机器人实现跟踪目标,达到预期效果。

面向空间操作的软体机器人:驱动、建模和感知

针对现有空间机器人难以满足在轨服务任务需求的问题,提出了将软体机器人进行空间应用的设想。在梳理软体机器人自20世纪至今发展历程的基础上,将软体驱动器分为流体驱动、形状记忆材料驱动、电驱动等几类,对比了不同驱动方式的驱动机理和适用环境。讨论了软体变刚度机构对于软体机器人操作能力的提升。分析了软体机器人运动学建模和动力学建模的困难性并总结了目前的研究方法。此外,提出了将柔性传感技术与人工智能算法相结合以提高软体机器人的智能化水平。最后分析了软体机器人空间应用可能面临的关键技术挑战,为未来空间软体机器人研究提供参考。

TMP折纸防护的双稳态软体机器人

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力,但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决.基于此,提出了一种TMP(Tachi-Miura polyhedron)折纸防护的双稳态软体机器人.软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统,由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒,实现双稳态之间的切换,并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动.TMP折纸作为软体机器人的外壳,可为其提供防护,预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱;此外,其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献.结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法,确定了软体脊柱材料本构模型参数.探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系,并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法.开展了系列实验测试,发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动,在平地上平均速度达到1.81BL s^(−1),其质量−运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域,属于刚−软耦合机器人.此外,证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂非结构化环境快速运动能力.

美国NSF对新兴技术的项目资助模式研究——以软体机器人为例

以软体机器人为研究案例,基于美国国家科学基金会(NSF)的项目数据库,分析NSF对新兴技术的项目资助模式和特点。分析维度包括项目资助时间、资助金额、项目类型、资助密度和资助强度。结果表明,NSF对新兴技术的项目资助具有全周期、多维度、经费分配合理、持续性强的特点,在资助模式上,项目经费呈现“微笑曲线”变化趋势,而项目数量的变化则正好相反,即在研究周期的两端采取的是高经费少项目的模式,在中间基础研究采取的是低经费多项目的模式。

基于有限元的结肠镜软体机器人设计仿真及优化

结肠镜是检测肠癌的金标准,提前筛查能够大幅度降低肠癌的发病率。提出了一种基于仿生的软体机器人设计方案,采用3个内腔体的软体材料结构,通过控制腔体气压大小控制机器人的弯曲方向与角度。该软体机器人安置在传统肠镜的末端,替换传统的人工式操作,在肠镜手术检查过程中起导引作用,可有效的避免结肠镜检查推进与取出过程中肠镜与肠道的不必要接触。利用有限元分析的方法,对软体机器人驱动腔体的形状和布局以及多段式结构进行了仿真,优化了软体机器人的设计参数并开发了机器人样机,通过试验验证了软体机器人的弯曲性能。

基于介电弹性体的软体机器人设计、建模与运动控制研究综述

软体机器人是一个多学科交叉的新兴领域,旨在基于软质材料开发类似自然生物的多功能系统,赋予机器人强大的环境适应性、优良的运动灵活性以及高效安全的人机交互能力。介电弹性体是一种新型的软质智能材料,具有弹性模量低、变形范围大、能量密度高、响应速度快等优点,适合于制作软体机器人。首先,介绍几类介电弹性体软体机器人。然后,总结介电弹性体驱动器动力学建模与控制的研究进展。最后,分析介电弹性体驱动器研究当前的挑战,并展望进一步研究的机遇。

基于流体驱动的软体机器人研究进展

基于流体驱动的软体机器人目前已得到广泛的研究与应用。根据其发展现状,对流体驱动方式进行了综合对比,总结了软体机器人在结构设计、材料制作、试验分析中的方法,并对其面临的问题、未来发展的挑战进行了分析。