Festo 这家德国公司一直以来是比较低调的,然而这次世界机器人大会上,他们的仿生产品:蝴蝶(eMotion Butterfly )和银鸟(SmartBird),却狠狠“高调”了一把。

蝴蝶和银鸟在展览厅内盘旋,飞行姿态着实优雅轻盈,如果不仔细看,会以为是真的动物。所以每到表演时间,Festo 的展台必定围的水泄不通。就算是在主论坛学术会议上的展示,也博得了专业人士的喝彩。

拥有 90 年历史的家族企业

Festo 这家公司本身也是神奇。这家有着 90 多年历史的跨国公司,销售网、物流中心和工厂遍布世界 60 多个国家,但至今仍是个家族企业。其创始人是 Gottlieb Stoll,目前的掌门人是 Stoll 家族第三代,所以他们几乎不受资本市场的影响,十分任性。

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就如 Thomas Pehrson(Festo 大中华区总经理)在演讲中提到的:“我们不关注银行的贷款,也不从股票市场融资,自己就有足够的现金流。”

做了 10 年仿生机器人

Festo 做仿生机器人已经有 10 年时间,从2006 年开始,几乎每一年就推出一款仿生机器“动物”,包揽水陆空:水母、企鹅、蚂蚁、蜻蜓、袋鼠、海鸥、蝴蝶等等。

蝴蝶是 2015 年的产品。身体主要材料都是碳纤维,无论是翅膀还是主干,所以重量很轻,只有 32g。其翼展 50cm,飞行速度 1-2.5m/s,最长可以飞行 4 分钟。头部放置两个马达,尾部是电池和控制通信系统。蝴蝶降落时,缓缓盘旋而下,十分赏心悦目。

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银鸟诞生时间稍久一些,是 2012 年的产品。躯干长 1m,翼展 2m,重 450g,也主要是碳纤维材料。其内置有 5 个马达,一次可以飞行 20 分钟,翅膀不仅可以来回拍打,还能有目的地扭转。

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Festo 现场的技术负责人 Markus Schaffer 告诉雷锋网,“蝴蝶的研发团队大约有 10 个人,其中包括工程师、设计师和生物学家等。每一个仿生项目,都会与大学里的专家进行合作。从最初的概念到第一件成品出来,大约要花费 1 年的研发时间。”另外,如果是在实验室的环境下,配置 10 个红外摄像头和 1 个主机,那么 10 只蝴蝶可以相互配合着在一个空间里飞行,蝴蝶之间可以实时沟通,不会相撞,“这种实时通信系统是个很大的挑战”。

大鸟炸机了?

在 10 月 24 日的展台表演中,银鸟出现了意外状况。

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从上面的小视频中,我们看到鸟的翅膀撞到了旁边红色的“龙头”上,坠落下来。Schaffer 表示,这是因为现场的飞行区域对于银鸟来说过于狭小了,毕竟它的翼展都有 2m 长。 “没办法,龙比鸟要强壮一些”,Schaffer 有点无奈地说道。

虽然有点小意外,但 Festo 的这次展览无疑是成功的。围的水泄不通的观众自不必说,采访最后,记者想问 Schaffer 要一张名片,但是他带来的 300 多张名片早被要完了,现场还有一位男士正在询问这些蝴蝶价格。看来 Festo 或许也可以考虑做一做蝴蝶的生意了。

这些年来,Festo做了这么多仿生机器人

(1)气动肌腱

气动肌腱是Festo研发的一种全新的气动驱动器,由中空的人造橡胶缸筒构成,内部嵌有尼龙纤维。当内部充满空气时,其直径增加,长度缩短,形成一种流畅的弹性运动。它使运动序列在动作、速度和强度以及灵活性各方面更接近人体的运动。

Festo的多款仿生气动机器人都以气动肌腱为基础开发,详见下方。

(2)仿生袋鼠

Festo2014年最新推出一款仿生袋鼠机器人(BionicKangaroo),可达到袋鼠跳跃高度。这款机器人身高超过一米,体重约七千克,每次实现的跳跃动作大致在40厘米高、80厘米长的范围内。根据研发制造人员透露,该机器人在工业上的优势在能源技术储备方面上可以体现出来。

Festo的仿生袋鼠机器人为气动系统所控制,在触地爪部内层的压缩空气推力作用下,实现向上向前的跳跃动作。每完成一次跳跃动作,其爪部便会储存空气能量以继续下一次的跳跃。研发人员在两只触地爪子上安装了固定的弹簧装置,来模仿真实袋鼠动物脚上的两根蹄筋,为跳跃动作起到缓和作用。

为了使机器人跳跃时在半空中也能够保持一定的稳定性,研发人员在Festo的仿生袋鼠机器人身体后部安装了一根尾巴,以帮助其保持机体平衡。通过传感装置,该机器人能够将每次准备跳跃动作时需储存的能量数据传达给研发人员。下图为仿生袋鼠机器人跳跃时的分解步骤。

(3)机器蜻蜓

Festo 开发出的机器蜻蜓,将蜻蜓高度复杂的飞行特性在技术上付诸实施。 这个超轻飞行物可以随心所欲向各个方向飞行、在空中定点飞行和缓缓滑翔。机器蜻蜓的翅膀是由碳化纤维及箔片制成,每秒振动次数最高可达 20 次,为了控制共有的振翅频率和各翅膀的扭转,在每个翅膀上都采用了振幅控制器。它展示了无线实时通信、持续的信息交流、各种传感器评估的汇总以及复杂情况和临界状态的识别。

(4)气动机械臂

Festo 气动机械臂 Airic's arm 由人造骨骼和肌肉组成。由尺骨和挠骨组成的骨骼结构、手掌和手指的骨骼以及肩关节和肩胛骨均受 30 根肌肉控制。这种肌肉即 Festo 的“气动肌腱”产品,有助于控制设备的刚度和力度。

(5)水下仿生机器企鹅

Festo 研制的水下仿生机器企鹅具有符合流体力学的身体轮廓,其灵巧的推进力以及可向各个方向移动的机翼头部和尾部,让企鹅能够在水中自由运动,包括穿越狭窄的通道,甚至能够向后倒游。它还能通过安装在身上的 3D 海豚音声纳系统与周围的伙伴们交流,并且能够避免发生碰撞。

(6)仿生象鼻

Festo 公司根据象鼻子灵活柔软的特点,研制而成仿生技术操作助手。它主要由塑料管制成,伸缩自如,如大象用鼻子卷起物体般,通过伸展和卷曲来进行搬运、装卸的工作。十一个自由度可以根据特定任务确定各种行程,自适应抓手可以根据形状和重量抓取物体,更能解决长期困扰工业机器人的安全问题。

(7)模块化轻型机械手

Festo 公司研发出模块化轻型机械手,该机械手作为一种多轴构建系统,能够自由配置相关的结构单元,完成不同的抓取任务。这种模块化轻型机械手重量只有 4 公斤,有效载荷可达 800 克。它可用于实验室自动化及服务机器的抓放应用,允许不使用防护笼,从而实现人与机器的互动协作。

(8)水下仿生水母

AquaJelly 展现了水下自主运动子系统的沟通结构与实时分析能力。它由一个半透明的半球和八个推进触角组成,装有中央电机、锂电池、充电控制单元及伺服电机。人造水母拥有一套智能的自适应机械装置,通过智能通信和传感器技术以及实时诊断实现了有限空间内协调的集体行为。每个水母根据自己的状态(如电量、驱动器的位置)以及与其它水母之间的距离而自行决定如何运动。

(9)空中仿生水母

AirJelly 是 Festo 设计的一种空中仿生水母。它是一种能自主控制的人造水母,有一个中央电机装置和一个智能接收指令的机械装置,由充满氦气的球形网构成。它是第一个以蠕动为驱动力的室内飞行物体。这种新型的驱动理念基于反弹原理的助推力,让水母轻盈地在空中穿行。

(10)水下仿生魔鬼鱼

Aqua Ray 是 Festo 以一种魔鬼鱼为原型设计的水下仿生鱼。它的中央驱动和控制单元采用 Festo气动肌腱结合鳍条效应组合而成,能实现静态滑行或动态鱼鳍拍打两种运行方式。

(11)空中仿生魔鬼鱼

Air_ray 是 Festo 以魔鬼鱼为原型设计的空中仿生鱼。它由充满氦气的气囊和控制羽翼拍打的驱动器组成。其轻巧的设计以及氦气的提升力,使它像魔鬼鱼在水中运动那样,在空中自由翱翔。其羽翼的上下运动,由伺服驱动器轮流纵向牵引两翼来实现。

(12)仿生机器鱼

Festo 研发了一款仿生机器鱼 Airacuda,它的防水头部内装有电子和气动部件,有两根气动肌腱控制其尾部的 S 型运动,还有两根气动肌腱用于掌握方向。鱼鳍参考 Fin Ray Effect(鳍条效应),可在水中有力地划动。

(13)气动肌腱机器人

EvoLogics GmbH 和柏林科技大学合作研究了一款气动肌腱机器人。气动肌腱的张力通过由绝对抗拉断的 Dyneema®绳索构成的人造神经进行无扭矩传送,驱动单元可自由放置在身体部位,运动部件也可保持较小的重量。该机器人可执行程序设置好的动作或通过数据衣、数据手套进行远程控制。