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设计由气动控制和驱动的四足动物高阳

2022年11月10日

设计由气动控制和驱动的四足动物

加州大学圣地亚哥分校的工程师创造了一种不需要任何电子设备即可工作的四足软机器人。四足动物只需要一个恒定的压缩空气源来执行其所有功能，包括其控制和移动系统。

该团队由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械工程教授 Michael T. Tolley 领导，在《科学机器人》杂志上详细介绍了其发现

“这项工作代表了朝着全自动、无电子行走机器人迈出的基本但重要的一步，”博士 Dylan Drotman 说。Tolley 研究小组的学生和论文的第一作者。

应用包括用于娱乐的低成本机器人，例如玩具，以及可以在电子设备无法运行的环境中运行的机器人，例如 MRI 机器或矿井。软机器人特别令人感兴趣，因为它们很容易适应环境并在人类附近安全地运行。

大多数软机器人由压缩空气提供动力，并由电子电路控制。但这种方法需要复杂的组件，如电路板、阀门和泵——通常在机器人体外。这些构成四足动物大脑和神经系统的组件通常体积庞大且价格昂贵。相比之下，加州大学圣地亚哥分校机器人由机器人本身搭载的轻型、低成本气动回路系统控制，气动回路系统由管道和软阀组成。机器人可以根据指令行走或响应它从环境中感知到的信号。

“通过我们的方法，你可以制造一个非常复杂的机器人大脑，”该研究的资深作者托利说。“我们在这里的重点是制造控制步行所需的最简单的气动神经系统。”

四足动物的计算能力大致模仿了哺乳动物的反射，这些反射是由脊椎而不是大脑的神经反应驱动的。该团队的灵感来自在动物身上发现的神经回路，称为中央模式发生器，由非常简单的元素组成，可以生成有节奏的模式来控制步行和跑步等运动。

为了模仿发电机的功能，工程师们建造了一个阀门系统，作为振荡器，控制加压空气进入机器人四肢的气动肌肉的顺序。研究人员构建了一个创新组件，通过延迟向机器人腿部注入空气来协调机器人的步态。机器人的步态灵感来自侧颈龟。

四足动物还配备了简单的机械传感器——充满液体的小软气泡放置在从机器人身体伸出的吊臂末端。当气泡被压下时，流体会使机器人中的阀门翻转，从而使其反向。

该论文建立在其他研究小组之前的工作基础上，这些研究小组开发了基于气动阀的振荡器和传感器，并添加了实现诸如步行等高级功能所需的组件。

这个怎么运作

四足动物配备了三个用作逆变器的阀门，使高压状态在气动电路周围扩散，每个逆变器都有延迟。

机器人的四条腿中的每一条都有由三块肌肉驱动的三个自由度。支腿向下成 45 度角，由三个平行、连接的带波纹管的气动圆柱形腔室组成。当腔室加压时，肢体向相反方向弯曲。结果，每个肢体的三个腔室提供了行走所需的多轴弯曲。研究人员将每条腿的腔室对角地相互配对，从而简化了控制问题。

软阀在逆时针和顺时针之间切换肢体的旋转方向。该阀充当所谓的闭锁双刀双掷开关 - 具有两个输入和四个输出的开关，因此每个输入都有两个相应的输出。这种机制有点像取两条神经并交换它们在大脑中的连接。