3D打印软性机器人可应用于人工肌肉
【驱动|3D打印软性机器人可应用于人工肌肉】好机友
◎本报采访人员 陈 曦 通 讯 员 刘晓艳
一只灵巧的“虫子” ， 牢牢地抓住圆形管 ， 一伸一缩中蜿蜒前行 。 其实 ， 这只灵活的“虫子”是一款采用了天津大学科研人员左思洋、刘建彬课题组研发的新型模块化柔性驱动方法3D“打印”出来的软性机器人 ， 可应用于人工肌肉和管道爬行机器人中 。 该成果今年1月初在线发表在《美国电气电子工程师学会机器人和自动化快报》上 。
软性机器人因其较高的柔性、对人体安全等优点 ， 近年来得到广泛关注 。 3D打印的优势在于制造复杂形体、复杂结构可一次成型 ， 不需要后续加工 。 打印免组装结构 ， 是3D打印技术制造软性机器人比较典型的应用 。
左思洋、刘建彬课题组提出了一种基于薄膜气缸的新型模块化柔性驱动方法 ， 可根据具体应用改变排列组合方式以及合理布置连接方案 ， 将其应用于人工肌肉和管道爬行机器人中 。
“每一个薄膜气缸就好比人体的一小块肌肉 ， 或者爬虫的一个‘节’ ， 只不过是用热塑性聚氨酯材料做的 。 ”刘建彬解释说 ， 如果把这个新型薄膜气缸结构比喻成一个基本的肌肉单元 ， 根据不同的应用需求对这些单元的连接方式进行组合 ， 就像是把一个个肌肉单元连接起来形成一整块肌肉 ， 然后再应用于不同场景 。
整块“肌肉”的制造过程采用了3D打印技术 ， 一次成型 ， 省掉了传统机电设备加工制造中的装配流程 ， 大幅降低了驱动模块的制造成本和周期 ， 且具备耗气量小、动态响应高、可靠性高、对应用场景适应性强等特点 。
基于此创意 ， 课题组首先提出了一种新型气动人工肌肉 ， 可应用于柔性外骨骼等人机交互装备的驱动中 。 气动即以压缩空气为动力源 ， 带动机械完成伸缩或旋转动作 。 与传统气动人工肌肉相比 ， 该设计最突出的特点是不会产生厚度方向的膨胀 ， 从而避免了对人体的挤压 。
此外 ， 课题组还提出了一种新型气动管道爬行机器人 ， 可应用于工业管道设施的检查和实时监控 。 该管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理 ， 通过巧妙布置薄膜气缸单元之间的连接 ， 实现机器人在管道内、外壁面爬行 。 柔性驱动方式的应用使该机器人能够适应大范围管道直径的变化 ， 并可应对直管、弯管、竖管、水平管以及各种角度倾斜管的应用场景 ， 同时机器人可承受自重80倍以上负载 。
因为采用了气动方法驱动 ， 软性机器人只能拖着长长的气管尾巴工作 。 如果将传感器集成到设备中 ， 就能去掉这些气管尾巴 ， 使机器人更独立精致 。
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