仿生机器人像章鱼触角 可打捞太空垃圾

  • 2021-02-17 10:16
  • 来源: 中国青年报

  那些废弃的助推器,退休的卫星、飞船残骸,以及大大小小的碎片甚至航天器泄漏的液体,都在地球上空高速环绕,随时可能给卫星、空间站以及各种航天器带来致命威胁。

  人们一直在研究如何清理这些太空垃圾。欧洲科学家大胆采用“鱼叉捕获”的方式用“鱼叉”和“渔网”来打捞太空垃圾。近日,天津大学现代机构学与机器人学中心康荣杰副教授团队研发出一款新型连续体仿生机器人,仿佛章鱼柔软的触角,既可柔软伸缩,又能有力抓取物品。目前该成果已初步应用于空间非合作目标捕获的研究,有望成为一名出色的太空“捕手”,处理失效卫星和太空碎片。

  研究成果以《基于几何约束的记忆合金变刚度新型连续体机器人建模与分析》为题在机器人领域国际权威期刊《机器人学研究》发表。

  康荣杰告诉记者,传统抓捕太空垃圾的方式基本上选用的都是刚性机械臂。这些装置在卫星或飞船外侧的机械臂与高速移动的空间碎片碰撞后,极易出现损伤。康荣杰和团队的科学家们从动物身上获得灵感,比如大象鼻子和章鱼触角都是软体,能灵巧地捕获抓取移动的物体,那么设计一种类似的柔性机械臂,可以缓冲与被捕捉物撞击时的冲击力。

  科学家设计出的连续体机器人就是一种形如象鼻或章鱼触须等软体生物的新型仿生机器人,它具有极强的结构柔顺性和环境适应性。因而无需配备复杂的传感系统,就能够在未知环境下执行避障探索等动作,突破了传统机器人通常只在规定空间内作业的局限性。

  这个仿生机器人的本体由超弹性镍钛合金制作的中央骨架和3D打印技术制作的约束盘构成。通过均匀分布在约束盘周围的驱动丝可控制其本体结构产生主动弯曲或根据环境变化发生被动变形。在视野盲区,可利用安装在机器人末端的摄像头和机械手绕过障碍物对目标进行抓取。

  为了提高其柔性结构的负载能力,实现“刚柔并济”的效果,课题组还在机器人内部设计了由记忆合金驱动的刚度调节机构。当机器人达到预定的操作位置后,可将驱动丝与约束盘相对锁定,进而最多可提高机器人3倍的刚度,使机器人从“柔”变“刚”。

  “太空无重力的环境,便于软体机器人开展活动。”康荣杰说,软体机械臂也以弯曲折叠,也使得覆盖半径大大增加,未来还可以逐步实现对机械臂的远程控制,甚至实现对太空垃圾的无人化清理。

  此外,研究团队首次提出了一种利用机器人内部几何约束关系求解高冗余柔性机构大范围变形的建模理论,实现了依靠位置输出进行精确“力-位置”耦合控制的创新,揭示了传统模型难以描述的连续体多重弯曲机理。该建模理论可用于指导机器人的结构优化设计和控制算法编写。

  国际电气电子工程师学会会士、国际重要机器人期刊Robotica主编、本论文共同作者天津大学戴建生教授表示,该成果未来还可应用于灾难环境救援,航空发动机探修等特殊场景。

  原标题:天津大学科研团队研发出一款新型连续体仿生机器人像章鱼触角 可打捞太空垃圾

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责任编辑:李国栋 石毅

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