德国自动化设备供应商Festo一向对仿生机器人非常热衷,在过去的很长一段时间里,Festo连续推出了十多款炫酷的仿生机器人,包括章鱼、袋鼠、青蛙、海龟、蟑螂、猎豹、蝴蝶、蚂蚁……就在最近,Festo又一口气推出了3款仿生黑科技机器人:章鱼触手、象鼻、人类手臂,其中OctopusGripper(章鱼)项目是Festo与北京航空航天大学合作的成果,这也是Festo仿生学习网络首次与亚洲高校开展合作。

OctopusGripper-章鱼触手

章鱼是一种迷人的海洋生物,没有骨骼,几乎完全以柔软的肌肉组成,章鱼能够在水下自如地移动,其触手非常灵活和自如,可敏捷地抓捕不同形状、不同尺寸的各种生物如贝类、鱼类、蟹类甚至鲨鱼。

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OctopusGripper由气动的软硅胶结构构成。接通压缩空气后,触角将向内弯曲,并可根据各自外形,轻柔地包裹抓取物体。如同其自然原型一样,硅触角的内侧安装有两排吸盘。位于抓手顶端的小型吸盘被动发挥作用,而在较大的吸盘上则可以应用真空,以牢固地抓住物体。由此将吸附与缠绕两种方式结合,实现对多种不同形状、不同尺寸、不同摆放姿态物体的安全、无损、稳定抓持。相比传统刚性体机器人,仿生软体触手具备的柔性抓取特性使其可以更加高效、安全地与人类和自然界进行交互。

该项目由Festo与北京航空航天大学文力副教授及其实验室团队历时一年半合作完成。对此次合作,文力副教授表示:“仿生软体机器人是一项集材料、力学、生物学、自动化等多学科的交叉研究,也是目前国际学术界的前沿研究热点。其未来应用除了工业抓持,还可以应用到家庭服务、医疗康复、智能穿戴等多个领域。”

BionicMotionRobot-象鼻+章鱼触须

BionicMotionRobot从象鼻和章鱼触须的运动中获得启发,采用了柔性气动波纹管结构和相应的阀和控制技术,能毫不费力地模仿这两种原型的动作。气动轻型机器人拥有十二个自由度,这种仿生手臂的负载能力为三公斤– 与本身重量相当。敏感、柔和、强大。

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波纹管由坚固的弹性体构成。每个均由独特的3D纺织面料包裹,与章鱼触须的肌纤维类似,得益于这一创新纤维技术,波纹管结构能够向所需运动方向进行伸展,同时在另一个方向上受限,首次能最大限度释放可用力。

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BionicMotionRobot的手臂由三个基础节段构成,每段均由四个气动波纹管驱动。Festo Motion Terminal(Festo数字控制终端)负责十二个柔性波纹管结构的复杂控制和调节任务。安装在系统纵轴的光学外形传感器识别整体运动装置的位置、形状和互动。通过这种模块化设计,机器人手臂可在三个不同的方向上同时弯曲,并流畅地对其生物学原型的自然运动予以转化。

柔性运动装置概念以2010年的仿生搬运助手为基础,后者以其安全可靠的人机合作特点荣获德国未来奖。

BionicCobot-七关节仿人类手臂

BionicCobot运动方式以人类手臂为原型,整个结构包括肩膀、上臂、肘、桡骨和尺骨以及爪手。该机器人有七个关节,每个关节都利用了二头肌和三头肌的自然工作机制 – 伸屈肌群高效率的相互作用。藉此,这个机器人可实现非常精细的动作,跟人的手臂功能无异。

BionicCobot可以进行精细调节,动作可充满力量、敏捷,或敏感柔和、一触即收;因此该系统即使与人发生碰撞也不会危及人身安全。这种特性的实现要归功于Festo Motion Terminal(数字控制终端),这是一种气动自动化平台,在小空间中整合了高精度机械元件、传感器、复杂的控制和测量技术。

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取决于待执行的工作, BionicCobot 能配备多种不同的抓取系统。通过特别开发的图形用户界面可直观地进行操作:用户可示教BionicCobot 需要执行的动作,配置相应的参数。设置的工序可用拖拽功能复制到工序排序界面中,可实现任意运动顺序。整个运动顺序在联机设定时,机器人会同步完成动作。平板电脑和Festo Motion Terminal(数字控制终端)之间的接口是机器人操作系统( ROS)平台,可计算动态路径规划。

Festo仿生学习网络在世界上享有盛誉,通过与世界著名大学、研究机构和开发型企业合作,在过去10余年研制出一系列闻名世界的仿生机器人,如智能飞鸟,仿生蝴蝶,仿生袋鼠等。有人可能会好奇,为什么Festo要做这些机器人,能靠这个赚钱?并不是。作为工业自动化技术领域的全球领先厂商,2016年Festo集团销售额约为27亿欧元,在全球250个国家和地区有18,700名员工(在中国有约2,000名员工)。Festo仿生学习网络的目标是借助仿生学让自动化运动过程更具效率和成效,为自动化世界提供源源不断的灵感。

Festo的那些逆天的仿生机器人

蚂蚁机器人BionicANT,它外形和真实的蚂蚁很相像,不过整体尺寸比真实蚂蚁大许多,长度超过13cm。它们是通过3D打印出来的,头部配备了摄像头,腹部配备了传感器,可以进行红外导航,触角其实是天线,可以用于无线充电。BionicANT蚁群们身上布满了各种电路,并不是让它们外形看起来狂拽酷炫屌炸天,而是连接各种部件和传感器,完成各种功能。另外,BionicANT预编了程序,它们会小团体聚集在一起搬动较大的物体,有典型的蚂蚁精神。

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蝴蝶机器人eMotionButterfly,它们会在一定空间范围内按预先编好的路线飞行,该空间内装了多个红外摄像头,可以用作蝴蝶机器人们的GPS系统。和BionicANT一样,它们身上装配了许多红外传感器,避免飞行过程中互相碰撞。当然,还装配了马达及其他配件,可以让它们像真正的蝴蝶一般挥舞自己的翅膀自由飞翔。据悉,这些蝴蝶机器人的翼展有50.8cm,每秒可飞行2.5米,每次充电后可持续飞行3到4分钟。

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蜻蜓机器人BionicOpter,长约17英寸(约44厘米),个头比实际的蜻蜓稍大,但它的敏捷性一点也不差。它能够像实际的蜻蜓一样在空中朝任意方向飞行,甚至还能漂浮在空中。通过移动手机就能控制,可用于探测人类难以到达的地方。据Festo介绍,这款蜻蜓的翅膀是由碳化纤维以及箔片制成,每秒振动次数最高可达20次,其中安装了9个伺服电动机。此外,BionicOpter翅膀展开后翼幅为63cm,体长为44cm,重量约为175克,与真正的蜻蜓十分相似,它能朝任意方向飞行,并且能够做出相当复杂的飞行动作。

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空中水母AirJelly,可以通过无线遥控,由直径为1.35米的氦气球和八根自适应触须组成,具有央驱动器和智能自适应机制。 氦气球体积为1.3立方米, 1立方米的氦气可为其提供约1公斤的浮力。AirJelly的总重量,包括气球及其所有辅助部件,不超过1.3公斤。AirJelly备有两个锂离子聚合物蓄电池,可在半小时内完成充电,能支持2个半小时-3小时的飞行时间。 机器人的中央驱动器将电力传递到锥齿轮,然后依次传递到八个正齿轮,这些齿轮带动八个轴,每个触角激活一个曲柄,以此带动了八根“触角”,“触角”的设计成包括两个拉压力交替的侧翼, 如果侧翼受到压力,则结构会自动沿所施加的力的方向弯曲。 综合起来,八根触手就产生了一种类似于生物蠕动的运动,可以通过内置的轴承实现远程操控。

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人工袋鼠BionicKangaroo,Festo将气动与电力驱动技术智能地结合,并形成了一套高度动态的系统。稳定的跳跃运动以及精确的控制和调节技术确保跳跃和着陆的稳定性。一致的轻质结构对独特的跳跃运动具有辅助效果。整套系统通过肢体动作进行控制。

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