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哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】手工電子DIY教程

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哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】

軟體機器人是一個新興機器人學領域。它是由生物學得到啟發,利用柔性、可延展材料製成的結構結合而成的機器人。許多動植物都有柔性、彈性的身體結構,以適應它們所處的環境。【原址:】

主要材料:

  軟體機器人套件

所需工具:

  軟體機器人套件

製作步驟:

第1步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第2張

這些天然生物系統啟發我們在軟體機器人方面的發展,以此精心設計的零件幾何結構使我們能夠對複雜動作進行“預編程”處理——即利用了柔性彈性材料本身特性。比起傳統剛性機器人來説,柔性材料製成的機械結構,搭配上智能處理使設計者們能簡化處理更多複雜的機構和軟件控制。而軟體機器人天生的適應性是它們在多個領域任務和環境中能發揮所長。比較典型的用處是,它們很適合進行人機交互,幫助人類進行日常活動,處理微創手術等。

第2步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第3張

軟體機器人套裝集合了多個共享資源,用以幫助用户設計、生產、建模、個性化及控制軟體機器人設備。套裝被設計為教學研究的一部分,由哈佛大學生物設計實驗室所主持。套裝的最終的目標是拓展軟體機器人研究領域,使設計者和研究者們能各自進行對此方面的研究工作。套裝包括一塊開源流體控制板、描述各方面零件的細節性技術文檔(包括電動執行機構和傳感器),以及能被下載的用於設計、生產和操作的相關文檔。利用低成本原料及日益成熟的快速成型技術(例如3D打印機、激光切割機、數控機牀等),這個套裝得以將軟體機器人零件生產簡化且經濟下來。

第3步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第4張

在外殼結構上,軟體機器人主要分為三層。

第4步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第5張

內部遇到壓力,軟體機器人就會捲曲。有了它直接就能捏碎酒瓶啦。

首先是外形材料與結構上的。如果一開始就使用剛性材料,哪怕後續程序做得如何出神入化,機械結構轉動多麼靈活,都不可能產生那麼細膩的動作。要知道,即使是人類本身的皮肉也是柔軟的。在這方面,軟體機器人採用了布料、纖維、硅膠等廉價輕巧的材料進行製作。而且,使用了模具後,還能快速成型。比起傳統機器人來説,生產速度得到加快。在應用方面,它能更好地模仿心臟、肌肉,製作出人工心臟、模擬人手的手套之類的產品,並有着原本模仿樣本那樣的功能與力量。

接着就是變形原理。因為使用了柔性材料,就不需要關節、螺絲、齒輪這些朋克時代的東東,取而代之的是更加簡單的結構——流體壓力系統。它的原理就像生日聚會期間人們吹的捲紙那樣,只是倒了過來——壓力增大時候捲曲,撤銷壓力時候恢復平整。要做到這一點,就靠外殼結構上設置了不可延展部分。當機器的外環可以延展,而內環不可延展時,在壓力的作用下,自然會捲曲起來了。

輪到控制系統。配合機體上數條螺旋分佈的管線,只要控制其中數條產生壓力,或製造不同管線之間的壓力差,就能控制出軟體機器人不同的運動姿態。加上壓力和動作傳感器的幫助,它回饋的信息控制泵、閥門等進行聯動,從而實現體感控制之類的功能。附帶一提,它所用的傳感器也是柔性傳感器,軟體機器人就不會摸起來有沙粒般硌着的感覺了。

第5步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第6張

第6步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第7張

這是個哈佛大學原創產品。它主要由人造橡膠所構成,裏面充滿了一系列氣囊和通道,在充氣放氣時產生收縮舒張動作。軟體機器人膨脹規模由裏面氣囊和通道所決定,當不斷壓縮氣體時,它將達到最大尺寸限度值。當然,設計者們可以進行“預編程”——即改變內部排列結構或管壁厚度,以達到自己想要的動作。配合不同材料組合起來,動作種類還可以增多(就是利用了不同材料受力時的膨脹係數不同,中學時候學過的胡克定律f=kx中k的不同導致的結果),產生諸如扭麻花、心機收縮等效果。

第7步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第8張

第8步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第9張

這也是哈佛大學原創產品,目的是將橡膠氣囊收束限制在一定形狀,裏層的材料就像氣球,當壓入氣體時,它會盡可能向周圍膨脹。而當加上纖維支架後,它只能橫向膨脹,不再是毫無目的地延伸。當加上上面提到的不同膨脹係數材料作為底板時,就能產生捲曲扭曲的效果了。

第9步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第10張

第10步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第11張

在對比兩種驅動功能上,它們各有千秋。動作上,纖維驅動因為結構之間縫隙細密,等於有了類似關節的效果,做出的動作就比較多樣,而氣動驅動只能完成單一整體的動作,對分段動作無力。但是,製作這樣的纖維驅動器工序卻比氣動驅動器麻煩。同樣在3D打印的條件下,後者不需要一小時就能製作完成,而前者卻需長達五天,且要動用6個模具。

第11步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第12張

第12步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第13張

氣動人造肌肉

第13步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第14張

McKibben氣動肌肉早在1950年代已被髮明出來,用於醫療矯治用途。重量輕巧,製作容易,自我限制(就是有最大收縮尺寸),還有和人類相似的肌肉彎曲曲線。結構上,在編制而成的網眼中有可膨脹支架或管道,兩端都被封住。當內部支架充氣膨脹時,外圍的結構就能將周圍輻射狀的膨脹方向收束到線性膨脹方式。

第14步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第15張

人造肌肉能有最大25%的延展率,有些特殊型號甚至能到40%。儘管設計上它們被用作延伸用途,但實際上用處不大,這容易造成肌肉變形彎曲。(就是機械疲勞了)

第15步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第16張

層積成型技術(SDM)是一種快速原型生產方式,它將所有元件在加工件上同時一起裝入,使用包括鑽洞、鑲嵌等工序。在這裏,它一次將所有傳感器、電機、支撐物等組合成型。這樣製作出來的機械手指,擁有廣闊的使用領域和動作流暢性,能完成諸如拾起籃球、用鑰匙開門之類的動作。

第16步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第17張

它由電活化聚合物構成。在電場的作用下(比如説兩層聚合物之間嵌入電極),這些聚合物產生形變。在作用上,它就像可調電容那樣(等於改變了電極正對面積),於是它也被用於產生電能方面。現在它能產生的電能可以點亮LED燈泡。

第17步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第18張

這些傳感器利用液態金屬(銦鎵共晶合金,又稱EGaIn)在可變形的微管道內的形變數據工作。在變形時,幾何結構的改變將導致其電阻變化。(就是中學物理説過的,導體越粗越短則電阻越小,而液態金屬可以變形,具有可塑性。)得到電阻變化的數據,就能計算得知軟體機器人形變的狀態。

第18步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第19張

第19步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第20張

TakkTile傳感器

第20步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第21張

第21步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第22張

TakkTile傳感器價格不貴,敏感度高,容易製作,工作原理基於微電子氣壓計,有一封閉的氣室承受到壓力而產生信號。它能探知從一到幾十克的碰觸壓力,而且容易嵌套進橡膠結構內。高級的TakkTile傳感器甚至能承受高達25磅(11千克左右)的壓力。

第22步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第23張

第23步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第24張

第24步:

哈佛大學基於開源硬件和3D打印開發的軟體機器人套件【轉譯】 第25張

流體控制板

軟體機器人的流體控制板是開源的,能夠控制氣動驅動器和纖維驅動器。這個部件主要用於教學用途,使學生們很快能上手控制軟體機器人的動作。

控制板包括一個泵(泵入或泵出流體)和一套螺線管閥門(用來開關控制流入系統內的流體)。控制板可手動控制(就是開啟開關和閥門)或利用Arduino控制器來自動編程控制。

在視頻中可以知道,機械臂通過壓力而產生形變,進而得到人類所需的動作,例如抓取、捅、螺旋前進等。弱弱地説一句,蠻適合給做“日用品”的,大人用品店老闆應該懂的吧?

小貼士:

原址: