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3D打印软性机器人可应用于人工肌肉 再应用于不同场景

2021-02-01 10:18:28    来源:科技日报

一只灵巧的“虫子”,牢牢地抓住圆形管,一伸一缩中蜿蜒前行。其实,这只灵活的“虫子”是一款采用了天津大学科研人员左思洋、刘建彬课题组研发的新型模块化柔性驱动方法3D“打印”出来的软性机器人,可应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。该成果今年1月初在线发表在《美国电气电子工程师学会机器人和自动化快报》上。

软性机器人因其较高的柔性、对人体安全等优点,近年来得到广泛关注。3D打印的优势在于制造复杂形体、复杂结构可一次成型,不需要后续加工。打印免组装结构,是3D打印技术制造软性机器人比较典型的应用。

左思洋、刘建彬课题组提出了一种基于薄膜气缸的新型模块化柔性驱动方法,可根据具体应用改变排列组合方式以及合理布置连接方案,将其应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。

“每一个薄膜气缸就好比人体的一小块肌肉,或者爬虫的一个‘节’,只不过是用热塑性聚氨酯材料做的。”刘建彬解释说,如果把这个新型薄膜气缸结构比喻成一个基本的肌肉单元,根据不同的应用需求对这些单元的连接方式进行组合,就像是把一个个肌肉单元连接起来形成一整块肌肉,然后再应用于不同场景。

整块“肌肉”的制造过程采用了3D打印技术,一次成型,省掉了传统机电设备加工制造中的装配流程,大幅降低了驱动模块的制造成本和周期,且具备耗气量小、动态响应高、可靠性高、对应用场景适应性强等特点。

基于此创意,课题组首先提出了一种新型气动人工肌肉,可应用于柔性外骨骼等人机交互装备的驱动中。气动即以压缩空气为动力源,带动机械完成伸缩或旋转动作。与传统气动人工肌肉相比,该设计最突出的特点是不会产生厚度方向的膨胀,从而避免了对人体的挤压。

此外,课题组还提出了一种新型气动管道爬行机器人,可应用于工业管道设施的检查和实时监控。该管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理,通过巧妙布置薄膜气缸单元之间的连接,实现机器人在管道内、外壁面爬行。柔性驱动方式的应用使该机器人能够适应大范围管道直径的变化,并可应对直管、弯管、竖管、水平管以及各种角度倾斜管的应用场景,同时机器人可承受自重80倍以上负载。

因为采用了气动方法驱动,软性机器人只能拖着长长的气管尾巴工作。如果将传感器集成到设备中,就能去掉这些气管尾巴,使机器人更独立精致。

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