采用人造肌肉驱动的机器人腿性能优于传统设计

Josiah02 · 发表于 2024-9-9 17:08:23

发明家和研究人员开发机器人已有近 70 年的历史。迄今为止，他们制造的所有机器（无论是用于工厂还是其他地方）都有一个共同点：它们都由马达驱动，而这项技术已有 200 年历史。即使是行走机器人的手臂和腿也是由马达驱动，而不是像人类和动物那样由肌肉驱动。这在一定程度上解释了为什么它们缺乏生物的机动性和适应性。
新型肌肉驱动机器人腿不仅比传统机器人腿更节能，还可以进行高跳和快速移动，以及检测和应对障碍物——所有这些都不需要复杂的传感器。这款新型机器人腿是由苏黎世联邦理工学院和马克斯·普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 的研究人员在名为马克斯·普朗克 ETH 学习系统中心（简称 CLS）的研究合作中开发的。
CLS 团队由苏黎世联邦理工学院的 Robert Katzschmann 和 MPI-IS 的 Christoph Keplinger 领导。他们的博士生 Thomas Buchner 和 Toshihiko Fukushima 是该团队在《自然通讯》上发表的一篇关于受动物启发的肌肉骨骼机器人腿的文章的共同第一作者。
像气球一样带电
与人类和动物一样，伸肌和屈肌确保机器人腿可以双向移动。这些电液压致动器被研究人员称为 HASEL，通过肌腱连接到骨骼上。
执行器是充满油的塑料袋，类似于用来制作冰块的塑料袋。每个塑料袋的大约一半两侧都涂有由导电材料制成的黑色电极。
布赫纳解释道：“只要我们在电极上施加电压，它们就会因为静电而相互吸引。同样，当我用气球摩擦头部时，我的头发也会因为静电而粘在气球上。”
随着电压的增加，电极会靠近并将袋子中的油推到一侧，使得袋子整体变短。
成对的执行器连接到骨骼上，可产生与生物相同的成对肌肉运动。当一块肌肉缩短时，另一块肌肉就会伸长。研究人员使用与高压放大器通信的计算机代码来控制哪些执行器收缩，哪些执行器伸展。
机械腿可以跨越不同的地形。
比电动机更高效
研究人员将他们的机器人腿的能源效率与由电动机驱动的传统机器人腿进行了比较。除其他外，他们还分析了多少能源不必要地转化为热量。
布赫纳说： “在红外图像上，很容易看出，如果机动腿必须保持弯曲姿势，它会消耗更多的能量。”
相反，电液压腿的温度保持不变。这是因为人造肌肉是静电的。
“这就像气球和头发的例子，头发会粘在气球上很长时间，”布赫纳补充道。
“通常，电动机器人需要热量管理，这需要额外的散热器或风扇将热量扩散到空气中。我们的系统不需要它们，”福岛说。
在不平坦的地形上敏捷移动
机械腿的跳跃能力取决于其爆发性举起自身重量的能力。研究人员还表明，机械腿具有高度的适应性，这对于软体机器人尤为重要。只有肌肉骨骼系统具有足够的弹性，它才能灵活地适应相关地形。
“生物也一样。例如，如果我们无法弯曲膝盖，在凹凸不平的路面上行走就会变得困难很多，”卡茨施曼说。“想象一下从人行道上走下来，踏上马路。”
当机器人腿必须长时间保持某个姿势时，大量电流会流过驱动它们的直流电机（左）。随着时间的推移，能量会以热量的形式流失。相比之下，人造肌肉（右）采用静电原理工作，效率高，保持低温，因为在恒定负载下没有电流流过。
与需要传感器不断指示机器人腿角度的电动机不同，人造肌肉通过与环境的相互作用来适应合适的位置。它仅由两个输入信号驱动：一个用于弯曲关节，一个用于伸展关节。
福岛解释道：“适应地形是一个关键方面。当一个人跳到空中落地时，他们不必提前考虑是否应该将膝盖弯曲 90 度或 70 度。”同样的原理也适用于机械腿的肌肉骨骼系统；落地后，腿部关节会根据地面的硬度或柔软度自适应地移动到合适的角度。
新兴技术开辟了新的可能性
电液执行器研究领域尚属年轻，仅出现于六年前。
“机器人领域凭借先进的控制和机器学习取得了快速发展；相比之下，同样重要的机器人硬件却进展缓慢。这篇论文有力地提醒我们，引入新的硬件概念（如使用人造肌肉）将带来多大的颠覆性创新潜力，”凯普林格说。
Katzschmann 补充说，电动液压执行器不太可能用于建筑工地的重型机械，但它们确实比标准电动机具有特定的优势。这在夹持器等应用中尤为明显，夹持器的运动必须根据被夹持的物体（例如球、鸡蛋或西红柿）进行高度定制。
卡茨施曼确实有一个保留意见：“与使用电动机的步行机器人相比，我们的系统仍然受到限制。腿部目前连接在一根杆上，只能绕圈跳跃，还不能自由移动。”
未来的工作应该克服这些限制，为开发具有人造肌肉的真正步行机器人打开大门。他进一步阐述道：“如果我们将机械腿与四足机器人或双腿人形机器人结合起来，也许有一天，当它由电池供电时，我们可以将其部署为救援机器人。”

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