增强型机械肢“第三条腿”上榜IEEE年度最佳博文!力气大速度快,多种步行模式跟随双腿

百家 作者:大数据文摘 2021-03-27 13:04:49 阅读:254

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂


如果人类拥有增强型四肢会是什么样子?


看看这张图,人类背上的四肢可以随意伸长,爬墙、上树无所不能。



这是加拿大舍布鲁克大学的研究人员对未来增强型四肢的想象,还记得去年那个汤姆克鲁斯同款机甲机械臂吗?这就是他们的杰作,能够拿起工具、摘苹果、打羽毛球,甚至能砸破墙壁。



不过,要机械臂实现这些任务,都需要人员进行远程控制。最近,加拿大舍布鲁克大学的研究人员又开发了新的「第三条腿」!戴上它就像开了外挂一样,外挂机械腿相比机械臂而言,更具自主性,能够轻松辅助人实现不同的步态,还可以作为免手持手杖,帮助保持平衡。



此外,它还能快速移动,以防摔倒,其响应速度比生物腿更快。在机械腿的对面再增加一条机械腿,则可以实现更多可能性,包括进行人机四足行走,这可能会成为一种全新的运动类型。



「第三条腿」的设计挑战:低惯性,高扭矩


为了辅助运动,「第三条腿」应该具有与人的腿相当的重量和低惯性,以最小化传递给使用者的惯性力,并且具有低惯性以适应冲击。此外,机械腿应该能够像人脚一样快地移动其末端执行器,并且仍然在地面上施加很大的力以提供有力的协助。



为了达到以上目标,研究人员采用磁流变“离合器”通过静液压传动系统为该机械腿提供加压水。这种方法将齿轮电动机的惯性与驱动输出分离,从而产生高带宽,快速,扭矩密集和可反向驱动的执行器。



该系统与背包内的电源相连,使机械腿保持较低的惯性,同时还能提供较高的扭矩。



多种步行模式跟随双腿


「第三条腿」与人四肢的重量相当,包括附在背包上的动力装置在内,总重量为9.7kg,但力气大且速度快,凿墙也没问题。



此外,「第三条腿」可在2个自由度下操作,与人的步行周期同步。在步行的同时,机械腿被驱动以像拐杖一样支撑地面,并像膝盖弯曲,推动地面回到原处,然后再摆动回到下一个位置。


研究人员对「第三条腿」进行了步行实验,在跑步机上尝试了三种同步方法(跟随步行,双腿步行和三足步行)。


跟随行走:机械腿跟随左腿同步行走,是在左脚接触地面的同时,降落机器人腿部的一种方法。



双向行走:机械腿同时跟随两条腿行走,是人在左右脚接触地面的同时,降落机器人腿部的一种方法。



三足步行:是在左脚和右脚与地面接触时将机器人的脚降落的一种方法。



跑步机的设定速度为1.4 m / s(平均步行速度),任何同步方法都不会干扰步行,摇摆时移动迅速,着陆时提供了很大的帮助。


「第三条腿」本身的最高速度为3.9m / s(相当于14 km / h),可以帮助加快运动速度,例如奔跑,或者在跌倒时快速运动以防止事故发生。



IEEE网站最受欢迎的研究之一


2020年10月,在IEEE和日本机器人学会共同举办的2020国际智能机器人及系统大会(IROS)上,加拿大舍布鲁克大学的研究人员展示了他们的「第三条腿」,还被评为IEEE网站最受欢迎的5篇博文之一。


研究人员最终希望推广这类附加机械肢,根据人的需要,它们可发挥手臂、腿,甚至是尾巴的作用。和外骨骼不同,这种增强型四肢更简单,无需研究人体的生物结构,它以第三或更高的手臂或脚来支撑人类行为,而且看起来更科幻。


「第三条腿」在其他情况下也可能成为手臂,有了这样的穿戴型增强型四肢,或许我们离成为超级英雄的梦就不远了!

 

【参考链接】

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9128040
https://www.itmedia.co.jp/news/articles/2103/12/news048.html



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