想想人類(lèi)膝蓋的奇妙物理結(jié)構(gòu)。作為人體最大的鉸鏈關(guān)節(jié)，它由兩塊圓形的骨頭組成，通過(guò)韌帶連接，不僅像門(mén)一樣擺動(dòng)，還能相互滾動(dòng)和滑動(dòng)，使膝蓋能夠彎曲、伸展和保持平衡。
據(jù)外媒報(bào)道，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器人膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方法，稱(chēng)為滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)。這種方法有望帶來(lái)更優(yōu)秀的機(jī)器人抓取器、更適合人類(lèi)的輔助設(shè)備，以及像動(dòng)物一樣優(yōu)雅移動(dòng)的機(jī)器人。
圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)
這項(xiàng)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的新設(shè)計(jì)方法優(yōu)化了滾動(dòng)關(guān)節(jié)在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)方式。它通過(guò)同時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)每個(gè)關(guān)鍵部件的形狀，使其與所需的力或應(yīng)用相匹配，例如機(jī)器人抓取器的末端或類(lèi)人機(jī)器人的肢體。
“每當(dāng)你設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，并且知道它需要做什么——比如一個(gè)步行機(jī)器人——你就可以開(kāi)始思考如何最有效地輸出力，”SEAS博士生、該研究的第一作者Colter Decker說(shuō)道?！袄?，對(duì)于步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，你可能需要在步幅末段施加更大的力來(lái)蹬地。如果我們能將這些決策融入到機(jī)器人自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，就能制造出更高效的機(jī)器人。由于能量被精準(zhǔn)地分配到所需位置，它們可以使用更小的執(zhí)行器。”
“我們努力將機(jī)器人設(shè)計(jì)與任務(wù)和控制緊密結(jié)合起來(lái)，”該論文的資深作者、SEAS哈里·劉易斯和瑪琳·麥格拉斯教授Robert J. Wood說(shuō)道?！拔覀兊哪繕?biāo)是將盡可能多的運(yùn)動(dòng)控制工作交給機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料，以便控制系統(tǒng)能夠?qū)Ｗ⒂谌蝿?wù)層面的目標(biāo)。科爾特的方法正是如此，而且無(wú)論從數(shù)學(xué)上還是機(jī)械上來(lái)說(shuō)，都以一種非常優(yōu)雅的方式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)?！?/p>
靈感源自抓取器項(xiàng)目
Wood實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)項(xiàng)目啟發(fā)了他們開(kāi)發(fā)更優(yōu)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案的想法：如何制造一種既能輕柔包裹物體又能施加強(qiáng)大力量的軟體機(jī)器人抓取器。
為了找到將剛性連接與柔軟靈活的關(guān)節(jié)相結(jié)合的方法——就像人手的骨骼和軟骨一樣——他們開(kāi)始深入研究滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)。滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)是由一對(duì)相互滾動(dòng)的曲面組成，并通過(guò)柔性連接器連接在一起。
在機(jī)器人領(lǐng)域，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式通常由軟件和控制算法決定。而在這種新方法中，這些選擇將直接影響每個(gè)關(guān)節(jié)的幾何設(shè)計(jì)。
Decker繼續(xù)說(shuō)道，雖然軸承和四桿機(jī)構(gòu)在現(xiàn)有機(jī)器人中被更廣泛地用作關(guān)節(jié)，但滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如靈活性、低摩擦和高耐磨性，使其成為特定應(yīng)用中的理想選擇。
原型膝關(guān)節(jié)和抓取器
為了展示他們的新設(shè)計(jì)方法，研究團(tuán)隊(duì)制造了兩個(gè)原型：一個(gè)類(lèi)似膝關(guān)節(jié)的裝置和一個(gè)雙指機(jī)器人抓取器。
膝關(guān)節(jié)輔助裝置和外骨骼通常使用放置在膝關(guān)節(jié)附近的簡(jiǎn)單軸承，但這可能會(huì)導(dǎo)致疼痛的錯(cuò)位，因?yàn)檎鎸?shí)的膝關(guān)節(jié)不僅會(huì)鉸鏈運(yùn)動(dòng)，還會(huì)移動(dòng)、滾動(dòng)和滑動(dòng)。研究人員繪制了人體膝關(guān)節(jié)的平均運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用他們的新方法制造了一種優(yōu)化的滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)能夠緊密地模擬真實(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。他們將定制設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了比較。
該優(yōu)化關(guān)節(jié)表現(xiàn)出色，與標(biāo)準(zhǔn)裝置相比，錯(cuò)位矯正率高達(dá)99%。這些結(jié)果預(yù)示著未來(lái)膝關(guān)節(jié)支具、外骨骼甚至關(guān)節(jié)置換等設(shè)備都可以根據(jù)個(gè)人的精確關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定制。
研究人員利用原型機(jī)器人抓取器優(yōu)化了關(guān)節(jié)，使手指能夠根據(jù)物體尺寸提供最大抓取力。在相同的執(zhí)行器輸入下，他們的抓取器能夠抓取的重量是使用標(biāo)準(zhǔn)圓形關(guān)節(jié)和滑輪的同類(lèi)抓取器的三倍以上。
視頻展示了一個(gè)采用優(yōu)化滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)的雙指機(jī)器人抓取器抓取一個(gè)箱子；逐漸增加重量直至抓取失敗。而采用圓形滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)的同類(lèi)抓取器則無(wú)法抓取該箱子的重量。（圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院木材實(shí)驗(yàn)室）
傳統(tǒng)的滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)由圓形表面構(gòu)成，而哈佛團(tuán)隊(duì)的新數(shù)學(xué)方法允許使用非圓形和不規(guī)則形狀，并能沿著非常規(guī)路徑運(yùn)動(dòng)。
“我們做了大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，目的是找出能夠滿足以下條件的表面和滑輪：如果關(guān)節(jié)需要沿著特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，并且沿該軌跡具有特定的力傳遞比，那么我們能否找到能夠展現(xiàn)這些特性的表面和滑輪？”Decker說(shuō)道?！叭缓?，我們可以應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化關(guān)節(jié)，使其適用于行走、跳躍或抓取等任務(wù)?！?/p>
德克爾表示，能夠針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化類(lèi)人關(guān)節(jié)，開(kāi)辟了許多探索途徑，從特定任務(wù)機(jī)器人到輔助機(jī)器人，再到動(dòng)物生物力學(xué)研究。
