使用3D列印創建仿生機器人手指

2020-08-27 工程學習

人類天生就可以通過關節的骨骼內結構進行複雜的運動。韌帶和肌腱彈性地連接到相當剛性的骨骼結構，使這些運動成為可能。

加利福尼亞大學聖克魯斯分校和日本立命館大學的研究人員最近設計並製造了受人體骨骼結構啟發的機器人手指。在今年的無處不在的機器人和環境智能國際會議（URAI）上展示的這種仿生機械手手指是使用多材料3-D印表機組裝而成的。

「發展有軟硬組件，就像人的手的機器人手，是一個研究課題，我想探索多年，」瑪麗亞姆Tebyani，誰進行了這項研究的研究人員之一，告訴TechXplore。「將彈性和非彈性材料結合起來將解決機器人技術中的一個普遍空白，在這種情況下，柔性系統可能很難處理重物，而剛性平臺可能需要複雜的製造或控制才能獲得與人手相當的靈活性。」

Tebyani和她的同事們最近的工作的主要目的是創造一個受自然系統啟發的機器人手。但是，研究人員希望將他們的大部分精力集中在設計人造手上，而不是在製造和組裝上。因此，他們決定採用最先進的3D列印方法，該方法可以簡化並加速整個原型生產過程。

Tebyani解釋說：「在設計過程中利用多種材料的3D列印使我們可以自由設計3D肌腱和韌帶結構，同時還允許我們在單張列印中創建電纜驅動的機器人。」 「粘彈性印刷材料嵌入了我們一直在尋找的機械靈活性，因為這些材料允許產生真正有趣的被動行為。從本質上講，該過程使機械設計能夠將某些功能編程到機器人中。」

研究人員設計的機器人手指具有類似於人類的骨骼幾何形狀，韌帶結構，人造肌肉和粘彈性腱。所有這些組件都使用多材料3-D印表機合成為單個部件。Tebyani和她的同事還使用稱為MuJoCo的流行物理仿真引擎開發了手指模型。這樣一來，他們就可以將機器人手指在模擬中所獲得的結果與現實環境中手指印刷的原型所獲得的結果進行比較。

研究人員在實驗中獲得的結果很有希望，突出了將3D列印和模擬技術相結合以創建複雜的機器人系統並獲得對這些系統的更好控制的巨大潛力。他們最終使用的方法使他們可以將軟機器人技術中普遍使用的粘彈性材料與更傳統的機器人技術相結合，從而使人類骨骼內結構的複製更加緊密。

Tebyani說：「我們提出的設計過程使我們能夠縮放機器人設計中每個元素的幾何形狀和材料屬性，以匹配各個人，並通過自主組裝快速生產這些原型。」 「先進的假肢和遠程操作機器人技術在與人類用戶交互方面取得了令人振奮的進步。我們正在嘗試通過設計平臺來輔助這一進步，這些平臺是人類形態的自然延伸，而可定製模型是不可或缺的。實現這一目標。」

將來，這組研究人員使用的設計和製造過程可以應用於創建其他幾種受生物啟發的機器人結構，例如其他受人或動物啟發的肢體。此外，他們開發的仿生手指可用於開發機械手，然後將其連接到現有和新機器人上。

Tebyani說：「我們目前正在努力將該設計擴展到整個手和手腕，以實現對象操縱。」 「我們還計劃開發依賴於所提出的製造方法的變型的設計，以便可以使用其他機器人專家更容易使用的3-D印表機實現這些系統。」

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