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隨著科技的高速發(fā)展，近年來(lái)各行各業(yè)都能看見機(jī)器人的身影，并逐漸改變著人們的生產(chǎn)與生活。其中，大多數(shù)機(jī)械臂是由長(zhǎng)直管和活動(dòng)關(guān)節(jié)的某種組合構(gòu)成，因?yàn)槿祟惖乃闹际且韵嗤姆绞綐?gòu)造的，這是巧妙而高效的設(shè)計(jì)。通過(guò)添加更多的管子和關(guān)節(jié)（或自由度），可以提高機(jī)械臂的多功能性，但代價(jià)是復(fù)雜度、重量和成本的增加。

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院REDS實(shí)驗(yàn)室的研究人員，介紹了一種圍繞可鍛結(jié)構(gòu)而不是剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)建的機(jī)器人，無(wú)需增加額外度數(shù)就能提高手臂的通用性和自由度。該設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂不再受制于靜態(tài)管和關(guān)節(jié)，而可以重新配置機(jī)器人，完全按照所需的方式進(jìn)行設(shè)置，并可以隨時(shí)隨地輕松地對(duì)其進(jìn)行更改。相關(guān)研究成果已在2020年ICRA發(fā)表，題目為“可鍛機(jī)器人的設(shè)計(jì)和工作區(qū)表征”。

圖片來(lái)源：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

據(jù)介紹，該臂可彎曲部分的內(nèi)部由一層又一層的聚酯薄膜片組成，這些薄片被切成薄片并彼此堆疊，從而使每個(gè)薄片與至少11個(gè)其他薄片重疊。聚酯薄膜很滑，在大多數(shù)情況下，襟翼可彼此平滑移動(dòng)，從而可以調(diào)節(jié)手臂的形狀。襟翼被密封在乳膠膜之間，當(dāng)空氣從膜之間被抽出時(shí)，它們相互向下壓使整個(gè)結(jié)構(gòu)變硬，將其自身鎖定為您放入的任何形狀。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，它是軟機(jī)器人和剛性機(jī)器人的組合，您可以獲得軟系統(tǒng)的靈活性（物理的和隱喻的），而不必處理所有的控制問(wèn)題。其機(jī)械比任何一種系統(tǒng)（如混合系統(tǒng)）都更為復(fù)雜，但是可以節(jié)省成本、縮小尺寸、減輕重量，并減少所需的執(zhí)行器（往往是故障點(diǎn)）數(shù)量。

研究人員指出，大多數(shù)串行機(jī)器人手臂具有6個(gè)或更多的自由度（DoF）（通常是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)），但執(zhí)行任務(wù)通常僅需2個(gè)或3個(gè)自由度。能夠?qū)崿F(xiàn)靈活性和適應(yīng)任務(wù)但保持低自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)單機(jī)械臂，以及快速開發(fā)用于醫(yī)療應(yīng)用的可變剛度連續(xù)體機(jī)器人，啟發(fā)了他們發(fā)展可延展的機(jī)器人的想法。

圖片來(lái)源：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

可延展的機(jī)械臂可以通過(guò)哪些方式提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，哪些潛在的應(yīng)用程序可以利用這些優(yōu)勢(shì)？可延展的機(jī)器人能夠完成多個(gè)傳統(tǒng)任務(wù)，例如拾取和放置或垃圾箱揀選操作，而無(wú)需在每個(gè)任務(wù)中直接使用額外的大量關(guān)節(jié)，因?yàn)榭裳诱沟臋C(jī)器人提供了機(jī)械臂的靈活性鏈接。

這使得機(jī)械手臂外形尺寸更小，包括機(jī)器人的重量和占地面積，以及由于更少的關(guān)節(jié)構(gòu)成而降低了動(dòng)力需求和機(jī)器人成本，同時(shí)又不犧牲適應(yīng)性。這使得該機(jī)器人成為任何至關(guān)重要場(chǎng)景的理想選擇，例如在太空機(jī)器人中（節(jié)省的每1公斤都是至關(guān)重要的）或在康復(fù)機(jī)器人中，降低成本以促進(jìn)采用。

與傳統(tǒng)的萬(wàn)向節(jié)之間的剛性鏈節(jié)相比，使用可延展鏈節(jié)的缺點(diǎn)是可延展鏈節(jié)的最大剛度比等效的實(shí)心鋼制剛性鏈節(jié)要弱得多，這是重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一，因?yàn)檫@將影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度和準(zhǔn)確性。

基于此，研究人員創(chuàng)建了現(xiàn)有最大的可變剛度連桿，長(zhǎng)度約為800毫米，直徑為50毫米，適用于延展性機(jī)器人及中小型工作空間。目前，對(duì)這種精度的評(píng)估結(jié)果是較為理想的，但是由于在封裝膜彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生皺紋，因此可能無(wú)法在整個(gè)可延展鏈節(jié)上獲得均勻的剛度。正如SCARA拓?fù)浣Y(jié)果所證明的那樣，這可能會(huì)產(chǎn)生輕微的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致精度的降低。

機(jī)器人有什么辦法知道自己的形狀嗎？潛在地，該系統(tǒng)可以以某種方式重新配置自身嗎？當(dāng)前，研究人員使用運(yùn)動(dòng)跟蹤來(lái)計(jì)算機(jī)器人拓?fù)?，并在機(jī)器人的關(guān)節(jié)上放置標(biāo)記。通過(guò)使用距離幾何，可以獲取機(jī)器人的正向和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，用來(lái)控制機(jī)器人的末端執(zhí)行器（抓爪）。理想情況下，研究人員希望開發(fā)出一種不再需要使用運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像機(jī)的系統(tǒng)。

圖片來(lái)源：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

至于機(jī)器人自身的重新配置，研究人員稱其為“固有延展性鏈接”，已經(jīng)證明了許多控制連續(xù)體結(jié)構(gòu)的方法，例如使用正壓或通過(guò)肌腱線，但是可以實(shí)時(shí)確定鏈接的曲率，而不僅僅是關(guān)節(jié)位置，是解決這一問(wèn)題的主要障礙。但是，研究人員希望看到可塑性機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展可以解決這個(gè)問(wèn)題。

接下來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是，完善機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)以提供一個(gè)強(qiáng)大而完整的系統(tǒng)，使用戶可以協(xié)作重塑機(jī)器人，同時(shí)仍然達(dá)到機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)期的精度。當(dāng)前，可延展的機(jī)器人研究還是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，這為它的進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化提供了許多機(jī)會(huì)。