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3D列印+光學感測器促使未來機器人性能加強
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感測器是機器必不可少的零件之一,它帶動了很多機器的發展。近日,在卡內基梅隆大學研發出科伸縮光學感測器,使機器人的靈活性又更上一層。
卡內基梅隆大學的研究人員開發出了一隻帶有多個3D列印光纖傳感器和一個新型的可伸縮光學感測器的三指軟機器人手。這個軟機器人手能夠檢測到低於十分之一牛頓的力。該項目獲得了美國宇航局(NASA)的支持。
使用光纖,該研究團隊在每個機器人手指裡面放置了14個張力感測器,這些機器人手指的設計仿照人類手指的骨骼結構。每根手指的指尖和兩根“指骨”都是 3D列印的,這幾根“指骨”通過關節連接,關節上還覆有一種矽橡膠“皮膚”。這種技術為機器手指提供了確定其指尖接觸位置並檢測其所經受的微不足道的力量的能力。儘管最新的可伸縮性光學感測材料並沒有用在當前版本的機械手上,不過研究人員希望在以後的軟機器人皮膚中用到它,以獲得更大的回饋。
 
客觀地說,當前常用的壓力或力感測器是有問題的。這是因為其中的佈線過於複雜,感測器容易斷裂。而且他們極容易受到來自電動馬達和其它電磁設備的干擾。而使用光纖傳感器就沒有這些問題,甚至一根光纖都可以包含幾個感測器。在這個項目中,其機器人手指上的所有感測器都與4個光纖相連接,並且它們對電磁干擾完全免疫。
研究人員稱,他們開發這項技術的目的是為了提高機器人的自主性。“如果你想讓機器人自主地工作,並在日常環境中對於各種意想不到的力安全地作出反應,就需要讓機器人手上安裝比當前常見的水準更多的感測器。”卡耐基梅隆大學機器人學副教授Yong-LaePark稱,“僅在人指尖的皮膚中就含有數千個觸覺感官單位,而一隻蜘蛛的每條腿上都有數百個機械刺激感受器。而在當前最先進的人形機器人——比如NASA的Robonaut——的手和手腕上,僅有42 個感測器。”
 
Park開發的這個機器人手得到了該校機械工程專業學生LeoJiang和KevinLow的幫助。這一裝置集成了當前市場上在售的光纖布拉格光柵(FBG)感測器,該感測器通過測量光纖內發射光波長的位移來檢測拉力。這種手指是靠一個主動性的腱來彎曲的,同時還靠另外一個被動的彈性腱提供相反的力拉直手指。
新型的可伸縮光學感測器是開發團隊希望能夠用在下一個版本的機械手上的感測器。因為傳統的光學感測器缺乏彈性,眾所周知,玻璃纖維幾乎無法拉伸,甚至用聚合物製成的光學纖維拉伸通率也只有20%-25%,其使用價值很有限。然而,通過將矽橡膠與一種反光金(reflectivegold)組合起來,研究人員發現當感測器上被施以壓力時,會有光能夠逸出,這使得他們能夠據此測量力的大小。Park認為,這種類型的感測器可以同時感應到接觸,並測量力的大小。

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