修整螺旋体：一种具高精度，大工作空间和顺应性相互作用的软结构

背景介绍

近年来，受生物启发，许多研究人员逐渐偏离了传统刚性机器人范式，转向包含顺应性材料和结构的设计。象鼻是这种软体机器人愿景的一个典型代表，它具备无与伦比的可控性和工作空间，同时由于其顺应性为大象提供了多功能的工具。然而，即便是迄今为止最杰出的软体机器人也未能完全匹敌这些自然界的表现，尤其是在接近或超过1米规模的系统中。

面对这一局限性，本研究通过利用建筑材料（architectured structures）提出解决方案。这些结构通过几何形状而非材料属性来调整其物理特性，不同于通过内部微结构或复合材料定制特性的超材料（meta-materials），建筑材料利用均匀材料的空间异质性，可以实现简单、低复杂度的单一材料制造，同时调整多种物理特性。这些结构已经在一系列机器人应用中得到使用，包括致动器、可变形和自适应结构等。

论文来源

本研究由Qinghua Guan, Francesco Stella, Cosimo Della Santina, Jinsong Leng和Josie Hughes等人合作完成，发表在npj Robotics（2023）。研究机构包括EPFL, Harbin Institute of Technology, Delft University of Technology和German Aerospace Center (DLR)。

研究介绍

研究流程

1. 裁剪螺线结构设计与分析

研究首先设计了一种基于裁剪螺线结构（trimmed helicoids）的建筑材料，该结构允许独立调节弯曲和轴向刚度。通过有限元分析（FEA）和计算分析选择出一种能够在可控性、误差敏感性和顺应性之间实现最佳平衡的几何形状。

其具体步骤包括：

• 依据螺线角度设定结构表面梯度，内材料主要贡献于轴向刚度，外材料主要防止弯曲。
• 通过径向修剪过程选择性地去除内材料，从而设计出在轴向与弯曲刚度之间达到特定比例的结构。
• 通过调整螺线结构厚度，提供刚度的绝对数值控制。

2. 模块化组合与驱动设计

• 组合这些裁剪螺线结构，与驱动方法结合，展示了米级软体操纵臂，并进行了性能验证。实验样本包括米级软体操纵臂和多节单元。
• 设计力传递系统，确保操纵臂在不同方向上均能实现压缩、弯曲和抓取功能。

3. 末端执行器设计

设计一个末端执行器，使得整体结构不仅具有大工作空间，还能实现与环境和人类的交互。例如，通过选定相应的性性能指标、刚度数值和几何形状，软体机器人可以在复杂任务环境，如喂食和协作物品操作中表现出色。

研究结果

裁剪螺线结构的刚度特性

1. 几何参数与刚度关系：

   • 研究表明，几何参数（螺线厚度、宽度、螺线数量和螺角）对轴向与弯曲刚度有显著影响。
   • 使用非维度刚度比 λstiff = kaxial r²/kbend，可以调节宽度与半径比 w/r，从而获得不同的绝对刚度。

2. 优化几何属性与性能：

   • 调整相对刚度 λstiff 在 1.3 至 14 之间，显著提高了组装后的柔顺性和性能。
   • 通过模拟和实际制造验证，λstiff ≈ 2 的柔顺性显著优于其他值。

软体操纵臂的设计与测试

1. 工作范围与控制精度：

   • 实际建模与仿真验证了机器人末端在米级操纵臂上的工作范围与精度。
   • 各种不同高度和偏移环境下的圆形、方形与零空间轨迹展现了不同配置下的性能。

2. 人机交互任务展示：

   • 实验中展示了机器人与人类协作进行番茄分类和汤料喂食两个任务，机器人通过高精度控制和与环境的人机交互完成这些复杂任务。
   • 在这些任务中，软体操纵臂交互时展现出优异的安全性和顺应性。

研究结论

1. 科学价值与应用价值：

   • 本研究展示了一种建筑材料的新型应用，其可调节轴向与弯曲刚度为大规模软体机器人带来了高效的控制性能和工作空间。
   • 提供了一种新型设计方法，并对未来软体机器人开发带来了重要启示。

2. 研究亮点：

   • 本研究通过裁剪螺线结构实现了软体机器人的高顺应性和大工作空间。
   • 展示了建筑材料在优化机器人结构中的潜力，并为人机交互的安全性提供了新的路径。
   • 结合有限元分析和实际制造，验证了优化几何参数对物理性能的显著影响。

总结与展望

研究提出了一种能适用于多种复杂任务环境的新型软体机器结构，未来的研究可以进一步优化材料的机械性能，探索低粘度材料或模型驱动方法，以及引入感知反馈，实现闭环控制，带来更智能的软体机器人系统。

研究填补了高性能大尺度软体机器人的空白，并为将来更复杂的应用场景提供了强有力的理论和方法指导。