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                                                            少兒編程 > 文章資訊 > 3D打印 > 科學家借助3D打印研究微型機器人的步態特征

                                                            科學家借助3D打印研究微型機器人的步態特征

                                                            童程童美 2016-11-07

                                                            不知您是否注意到,在自然界里,大多數昆蟲的體型都相當小,但是這并不能阻止它們占領整個地球。一直以來,機器人專家們都在嘗試制造出尺寸堪比普通昆蟲的小機器人。但是嚴格來說,這些機器人仍然比較大,差不多相當于巨甲蟲或者蛾子的大小。

                                                            摘要

                                                            不知您是否注意到,在自然界里,大多數昆蟲的體型都相當小,但是這并不能阻止它們占領整個地球。一直以來,機器人專家們都在嘗試制造出尺寸堪比普通昆蟲的小機器人。但是嚴格來說,這些機器人仍然比較大,差不多相當于巨甲蟲或者蛾子的大小。而大多數昆蟲都要比這小得多。體型的不同,也就意味著它們體驗世界的方式大不相同,因此,要對其進行有效地研究就變得困難多了。

                                                            在上個月舉辦的世界機器人與自動化大會(ICRA)上,來自美國馬里蘭大學的Ryan St. Pierre和Sarah Bergbreiter教授提交了一篇關于重量不到2克的磁驅動有足機器人的步態特征的論文。為更加深入地研究微型機器人打開了大門。

                                                            科學家借助3D打印研究微型機器人的步態特征

                                                            實際上,從2009年以來,這種硬幣大小、重量僅有幾克的機器人就已經不斷出現了。2009年,加州大學伯克利分校展示了其僅有2.4克重的6足自主爬行機器人(RoACH);幾年后,哈佛大學的微型步行機器人(HAMR)就將腿的數目減少 到了4個,而質量僅有1.7克。不過,這些微小的機器人固然很酷,但它們大多數僅僅是為存在而設計的,也就是說,能走幾步就不錯了,根本無法進行針對小機器人動力學的實驗測試。

                                                            為了找出最適合這種非常小的有足機器人的最佳步態,Ryan St. Pierre最初的計劃是先制造出像RHex這樣的輪腿式六足機器人,然后再縮小其尺寸。據了解,RHex的優點是其每條腿都可以獨立控制,因此很容易進行各種不同步態的實驗。不過一開始小RHex機器人表現得并不好,因為它的腿往往會鎖在一起,所以Ryan去掉了中間的兩條腿,使其變成了輪腿式4足機器人。值得一提的是,整個機器人都是一次3D打印而成的,無需組裝。當打印出來之后,您只需在上面裝上電動機,它就能行走了。

                                                            由于這些機器人體型太小(每個四足機器人僅20毫米長,5.6毫米高、重量約為1.6克),因此無法使用傳統的馬達和電池。與此相反,該機器人主要靠一個外部磁場產生的磁力驅動。具體來說,每個機器人腿根部都植入了一個2毫米的釹磁鐵塊,當您在離機器人足夠近的距離旋轉一個巨大的磁體時,轉動的磁場這些小的磁鐵旋轉,進而驅動機器人的雙腿。通過改變其腿部磁鐵偶極的方向并且進行不同的組合,就能使機器人按照不同的步態移動,比如小跑、像鴨子一樣搖擺著走、彈跳和四腿蹦跳(pronking)等:

                                                            科學家借助3D打印研究微型機器人的步態特征

                                                            在平地上,以10赫茲驅動的四腿蹦跳步態可以達到78毫米/秒的平均最高速度,即每秒近四個身長。另外四腿蹦跳也被證明是在崎嶇度適中的地形上表現最好的步態,不過隨著崎嶇度的加劇,其它步態反而表現得更好。

                                                            “我們已經了解可更多關于步態動力學的知識,比如機器人在其移動時身體前后俯仰得越多,在跨越崎嶇的地形時就越有效率,但是在平坦的地形上這種方式會更慢?!盧yan說。

                                                            Ryan稱,在3D打印機的幫助下,他只需一步就能制造出一大堆這樣的微型機器人,而且精確度很高,這就大大加快了他的研究過程。而且,只要能夠裝得下小磁鐵,他就能將機器人變得更小,請看下圖:

                                                            科學家借助3D打印研究微型機器人的步態特征

                                                            這是一個一角硬幣大小、100毫克的四足機器人,但是表現得與那些更大的機器人沒有什么區別,因此這些機器人沒有任何理由不會變得更小。Ryan說:“要使機器人盡可能地小始終是一個有趣的挑戰。目前,我正在制作一個機器人,使用相同的設計,但只有2.5毫米長,比我們在ICRA上展示的小一個數量級。更小的機器人能夠實現我們以前無法想象的功能?!?

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