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机器人手臂具有大象树干的灵活性周国贤

2022-06-25 21:54:45

机器人手臂具有大象树干的灵活性

与具有铰链和旋转关节的传统机械臂不同，Stefan Seelecke教授及其萨尔大学的研究小组正在开发新的柔性臂。

它们使用的形状记忆金属丝构成的肌肉几乎可以在任何方向弯曲并自行缠绕在拐角处。

柔性臂由电动驱动，因此不需要通常的气动设备或其他笨重的附件由于形状记忆合金本身具有传感器特性，因此无需额外的传感器即可控制手臂。

这项新技术可用于制造大型机械臂，并具有象鼻或超细触手的灵活性，可用于内窥镜手术。

从4月1日至5日，研究团队将在汉诺威工业博览会上，他们将使用原型在萨尔研究与创新展台上展示形状记忆臂的功能。

Seelecke的团队正在寻找对开发用于实际应用的技术感兴趣的合作伙伴。

人体和机械臂的灵活性都有功能上的限制。关节通常很笨重，并连接刚性骨骼或机械组件。通常将运动限制在某些空间方向。

相比之下，象鼻和章鱼的触角则具有更大的敏捷性。成千上万的肌肉的存在使这些生物能够向各个方向移动躯干或触手，使其弯曲到适当的角度，并以强大的力量抓握物体。

萨尔大学的工程师从这些自然模型中汲取了灵感，并正在开发机械臂，从而消除了对关节或刚性骨架或框架的需求，从而创建了既轻巧又极其柔软的结构。

Stefan Seelecke教授及其团队正在与达姆施塔特技术大学的研究人员合作，开发出精确控制的细触手。

将来，该系统可以在心脏外科手术中用作导丝，或者在胃镜和结肠镜检查程序中用作内窥镜。

因此，研究人员正在为人造触角配备附加功能，例如抓手或具有可调刚度的尖端，以提供改进的推力。但是，该技术也可以扩大规模，以生产与大象的躯体相似的大型机械臂。

这些新的机械臂的灵活性来自萨尔布吕肯研究小组使用的人造肌肉。这些肌肉由超细镍钛丝组成，它们以可控的方式收缩和延长。镍钛合金超细导线像真实的肌肉一样收缩，具体取决于电流是否在流动。

“镍钛合金是一种形状记忆合金，这意味着它在变形后能够恢复到其原始形状。如果电流流过镍钛合金线，则材料会变热，从而导致其被采用。不同的晶体结构会导致导线变短。如果切断电流，导线会冷却并再次变长。” Seelecke教授解释说。

他在萨尔大学的智能材料系统实验室的团队创建了这些线束，这些线束充当人造肌肉纤维。“

多根超细导线提供了较大的表面积，可以通过它们传递热量，这意味着它们可以更快地收缩。导线具有所有已知驱动机构中最高的能量密度。

并且它们可以在短距离内施加很高的拉力， Seelecke解释说，他还曾在Zear进行研究。

ZeMA的研究团队正在为这些电线开发一系列应用，从新颖的冷却系统到新型的阀门和泵。

对于机器人手臂，研究人员将导线连接起来束，使得它们作为屈肌或伸肌，其中，协同工作，产生流动运动。“将来可以用作医用导管或内窥镜手术的触角直径仅为300至400微米。没有其他驱动系统具有可比的大小。

以前用于导管手术的系统明显更大，这往往会限制他们的能力”，保罗·莫茨基解释说，他写了关于形状记忆线的博士论文，是Seelecke教授小组的研究助理。

可以非常精确地控制新的触角，并可将其用于创建多功能工具。例如，可以使触手的远侧末端执行推动运动。

研究人员对所需的精确运动模式进行了建模，然后在半导体芯片上进行了编程。而且该系统不需要其他传感器。

电线本身提供所有必要的数据。保罗·莫茨基表示：“用来制造电线的材料具有感官特性。控制器单元能够解释电阻数据，以便随时知道电线的确切位置和方向。”

与传统的需要从电动机或气动或液压系统获得动力的机械臂不同，这些机械臂不需要任何此类重型设备，只需要电流即可。

Seelecke教授说：“这使系统轻巧，高度适应性强且运行安静，这意味着生产成本相对较低。”

该研究团队将在汉诺威工业博览会上展示其系统原型，并将展示这些新颖的连续体机器人手臂的潜力。