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中國學(xué)者通過(guò)引入智能材料,解決連續型機器人局部剛度的主動(dòng)調控問(wèn)題
來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   發(fā)布日期:2023-02-22 09:33:50   瀏覽:7998次  

導讀:連續型機器人在城市搜救、微創(chuàng )手術(shù)、雜亂環(huán)境巡檢等特定場(chǎng)景下,具有明顯優(yōu)于傳統機器人的優(yōu)勢。然而,由于連續型機器人受結構剛度的均勻性和單一性問(wèn)題,在變化的曲率相互作用場(chǎng)景中其運動(dòng)往往受到限制。 那么,如何實(shí)現對連續型機器人局部剛度的調控呢?根...

連續型機器人在城市搜救、微創(chuàng )手術(shù)、雜亂環(huán)境巡檢等特定場(chǎng)景下,具有明顯優(yōu)于傳統機器人的優(yōu)勢。然而,由于連續型機器人受結構剛度的均勻性和單一性問(wèn)題,在變化的曲率相互作用場(chǎng)景中其運動(dòng)往往受到限制。

那么,如何實(shí)現對連續型機器人局部剛度的調控呢?根據國內外研究,通過(guò)編程材料/結構的力學(xué)屬性,有望解決因材料均一性引起的彎曲曲率單一的問(wèn)題。

然而,目前對連續型機器人局部力學(xué)屬性的調控多采用預編程形式,強烈依賴(lài)對環(huán)境的先驗信息,限制了此類(lèi)機器人在復雜、多變場(chǎng)景中的環(huán)境共融能力。

針對這一局限性,綜合考慮張拉整體結構的結構特征,中山大學(xué)/大連理工大學(xué)/南方科技大學(xué)聯(lián)合團隊提出了一種基于低熔點(diǎn)合金的變剛度復合材料,進(jìn)一步解決了連續型機器人局部剛度的調控問(wèn)題,實(shí)現了對預編程剛度調控策略的升級改造。

近日,相關(guān)論文以《利用相變材料實(shí)現剛度可編程的仿生連續型機器人》(Bio-inspired continuum robots with programmable stiffness by harnessing phase change materials)為題,發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials Technologies上。

中山大學(xué)航空航天學(xué)院博士生張捷為論文的第一作者,南方科技大學(xué)機械與能源工程系劉吉副教授、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系彭海軍教授、中山大學(xué)航空航天學(xué)院吳嘉寧副教授為論文共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

在該研究中,中山大學(xué)吳嘉寧副教授團隊貢獻了核心思想及相應的解決方案,提出了以張拉整體結構作為連續型機器人構型的機構框架,并依托大連理工大學(xué)彭海軍教授團隊的力學(xué)分析方法,證明了所提解決方案的有效性。

隨后,基于低熔點(diǎn)合金的相變特性,該團隊制作了一款熱驅動(dòng)的可編程智能彈性元件,為解決方案的實(shí)現提供了技術(shù)支持。在該彈性元件力學(xué)特性的分析過(guò)程中,南方科技大學(xué)劉吉副教授團隊在材料領(lǐng)域豐富的表征經(jīng)驗為本項研究提供了寶貴的建議。

在該研究中,研究團隊通過(guò)將低熔點(diǎn)合金(熔點(diǎn):47℃)注入彈性橡膠管內,提出了一種工藝簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉的可編程剛度彈性元件。

由于低熔點(diǎn)合金在室溫情況下呈現出固體特性,該彈性元件處于剛度極大的狀態(tài);在銅絲加熱產(chǎn)生的焦耳熱作用下,融化的低熔點(diǎn)合金使彈性元件展現出了彈性的特征,能夠產(chǎn)生較大的拉伸變形;诖,研究人員使連續型機器人內部彈性元件的主動(dòng)剛度調控成為可能。

圖丨可編程彈性元件的制備過(guò)程(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

為了進(jìn)一步探究這種彈性元件的相關(guān)性能,研究人員分別利用紅外熱成像技術(shù)、拉伸試驗裝置表征該彈性元件的溫度變化及力學(xué)特性,并證明該彈性元件的楊氏模量能夠在 1.79 和 271.62MPa 間切換。

圖丨彈性元件的力學(xué)特性(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

基于上述的實(shí)驗分析結果,充分證明了這種彈性元件能夠實(shí)現剛度的主動(dòng)編程。隨后,研究人員以張拉整體結構模塊為例,展示了模塊在裝配這種彈性元件之后的各種變形特征。

圖丨張拉整體結構模塊的變形調控(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

課題組成員將 12 個(gè)張拉整體結構模塊串聯(lián)形成一個(gè)連續型機器人,并通過(guò)控制電流編程彈性元件的楊氏模量,實(shí)現了對連續型機器人局部剛度的主動(dòng)調控。

圖丨可編程剛度的連續型機器人(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

最后,該團隊采用型材構建了一個(gè)迷宮環(huán)境,用于評估這種基于低熔點(diǎn)合金的剛度主動(dòng)調控方案的實(shí)際應用價(jià)值。相關(guān)實(shí)驗結果表明,通過(guò)采用電流加熱彈性元件的方式,能夠實(shí)現對局部剛度的有效調控,進(jìn)而使連續型機器人能夠按照預期的形態(tài)與環(huán)境交互。

圖丨可編程剛度的仿生連續體機器人在 H 型迷宮中的環(huán)境交互性能(來(lái)源:Advanced Materials Technologies)

盡管該研究已初步實(shí)現了對連續型機器人局部剛度的主動(dòng)調控,但是在剛度調控的實(shí)時(shí)性方面仍需要進(jìn)一步提高。

據悉,在未來(lái)的工作中,他們將進(jìn)一步通過(guò)結合先進(jìn)制造模式、智能材料合成等領(lǐng)域,賦予連續型機器人近似生物附器的精巧運動(dòng)/操作能力,從而使其在面對復雜的環(huán)境需求時(shí),能夠智能化地與環(huán)境共融交互。

參考資料:

1.Jie Zhang, Bo Wang, Haohan Chen, Jianing Bai, Zhigang Wu, Ji Liu*, Haijun Peng*, Jianing Wu* Advanced Materials Technologies(2023). https://doi.org/10.1002/admt.202201616

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