采用3D打印制造出仿生的类人机器手指

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文章来源于:江苏激光产业创新联盟

 

       在这里,我们为大家展现了一种采用新颖的手段制造线驱动的机器人系统。尤其是,展示了精确仿造骨骼形状、韧带结构 、粘弹性肌腱的仿生手指。这一手指是采用多材料3D打印的办法制作出来的一个单一部分。这一制造办法排除了早先的工程制造中刚性骨架结构以及弹性肌腱系统 中的界面问题。这一人造的肌肉在使用时需要具有驱动功能的手指的肌腱也可以采用打印实现。同时采用一个测试平台来比较模拟和打印的原型之间的结果。这一基础性的工作为新型的机械手(机器人)的设计提供了新思路,可以实现制造和组装的自动化化。

 

 

 

打印的机械手指及其打印的手指正在弹钢琴

 

 

       图解:这一手指打印出来的尺度同真人一样大小:(A)拟人模型的手指显示手指分三组韧带,会影响人类原始行为的三个部分进行了研究;(B)3D打印的手指具有条件刚度系统 ,安装在UR5机器人上,提供外部驱动,从而实现弹钢琴的动作

 

 

电压气风箱驱动手指弯曲

 

 

       人类与生俱来的具有利用自己的手指来完成复杂运动的功能,这一复杂的运动功能时通过内骨骼结构 来实现的。这一运动可以通过韧带和肌腱来完成,而韧带和肌腱则弹性连接 在完全刚性的骨头结构上。

 

 

 

 

       来自加利福尼亚大学圣克鲁兹分校( University of California- Santa Cruz,简写为UCSC )和日本立命馆大学(Ritsumeikan University )的研究人员受到人类手指的内骨骼结构的启发,在最近设计和制造了一种类似人类内骨骼结构的机械手指。这一仿生机械手指,在国际无处不在的机器人与环境智能大会(2020 International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI))上进行了展示,是采用多材料进行打印的。

 

 

       发展一种机械手指,使其具有硬的和软的组件,同人类的手指一样,就是研究人员打算探究发展的研究课题。整合弹性和非弹性材料是机械人研究中普遍存在的一个问题。此时的柔性系统可以实现处理重物的功能,同人类的手指相比,刚性平台则需要复杂的制造和控制过程来实现敏捷的动作。

 

 

       受到人类手指的启发,研究团队制造了一种机械手指。然而,研究人员打算打算聚焦他们的能力来设计一种人造手指,而不是来制造和组装手指。他们决定发挥出当前3D打印技术的优势,可以加速原型制造的过程。

 

 

 

       在设计阶段平衡多材料的3D打印给我们很多的自由度来设计三维的肌腱和韧带结构 ,同时允许我们在一次打印时就制造出线驱动的机器手。粘弹性打印材料镶嵌在机械韧性材料中正是我们目前要寻找的材料。采用这些材料制造的产品真的具有非常有趣的被动行为。本质上,这一工艺可以促使我们利用机械设计来编程,在机器人上实现一定的功能。

 

 

受到人体手指的启发而进行的仿生CAD模型

 

 

       研究人员获得的研究结果很有希望,增强3D打印技术和模拟技术来制造复杂的机器人系统和获得强有力的控制这些系统的巨大潜力。他们所采用的方法最终会允许他们使得在软体机器人中的粘弹性材料无处不在 ,同传统机器人系统的合并更加广泛。从而导致复制出的结构同人类的内骨骼结构更加接近。

 

 

A提出的采用多材料设计单指机械人平台B典型的制造机器人平台

 


打印出来的单个机器人手指

 

 

 

       研究人员提出的这种设计办法可以依据机器人的每一部位的具体形状和每一元素的具体性质进行设计,从而同人类相接近,并通过自主组装来实现。当前的假体制作和遥控机器人在同人类的交互作用这块取得了巨大的进步。我们正在竭力通过设计平台来加速这一进程,使人类所具有的自然延伸和可定制模型 能够通过这一技术能够整合在一起。

 

 

打印手指时的条件模型 的演示

 

 

打印的手指 演奏三段音乐乐句

 

 

       在不久的将来,这一团队就的设计和制造理念可以应用到创造几种不同的受到自然界启发的机械结构,如具有人类或动物性能的四肢。此外,研究团队发展的仿生可以用来制造机械人手指,这样的机器人手指可以安装在现有的机器人上,也可以安装在新颖的机器人上。

 

 

 

 

       该研究团队将将研究工作拓展到整个手臂和手腕的制造上,从而实现目标的操控。研究团队同时还计划设计一种依靠各种制造技术来实现易于制造的可以在其他机械系统中实现打印的3D打印机。

 

 

打印的手指在弹奏钢琴的瞬间照片

 

 

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2020年9月1日 15:13
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