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MIT -仿生机器人实验室
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  • MIT仿生机器人实验室致力于建立一个多学科的基础高动力性的机器人.超动态机器人技术包括动态建模、分层控制体系结构、单片多材料制造、新颖的驱动技术和形态设计工具,使高性能动态机器人平台的开发成为可能。
产品组合
  • 猎豹启发的四足机器人-高速运动平台

  • 高动力性的机器人
  • 高动力性的机器人
      • Stickybot

      • Stickybot是一种四足机器人,能够使用定向粘合剂在光滑的表面上爬行,如玻璃、丙烯酸和白板。设计的灵感主要来自于对最好的攀登者壁虎的形态学研究。机器人由带力传感器的PIC控制器控制的12台伺服电机驱动。Stickybot是我发明的仿生设计组件的体现,包括欠驱动分层系统、电缆驱动驱动和基于被动柔度的力控制方案。我于2005年4月发起设计了这个机器人用于测试合成壁虎的干粘性。经过一年的不懈努力,Stickybot成功地实现了在玻璃表面的可靠攀爬。

        粘性系统模型(什么是粘性?)
        很多人问我,这些粘垫是由什么材料制成的,表面能有很大的光谱。然而,随着我对分子力学的了解越来越多,我越来越确信粘附更多地取决于结构的几何形状,而不是材料的类型。2003年冬天,在RiSE(机器人在扫描环境中)项目的开始,我想知道为什么粘性物质会粘在表面上的机制。什么功能让游戏具有粘性?我的假设是,一个系统的结构越柔顺,它的粘性就越大。

          • gekco机器人
          • Stickybot

          • 四足机器人能够在光滑的表面上爬行,如玻璃,亚克力和白板使用定向粘合剂。
          • 粘附系统
          • 分级合规系统

          • 在粘附模型中提到,表面构象在粘附中是必不可少的,因为范德华力是非常弱的,除非两个表面之间有密切的接触。尽管范德华力在我们的生活中无处不在,但我们都知道范德华力是非常微弱的。最常见的例子是使用非常软的材料的传统磁带。在各种表面上的垂直攀爬需要比用于胶带的单层软聚合物更复杂的系统。在自然环境和人工环境中,存在许多长度尺度上的粗糙度。因此,为了使脚与壁面亲密接触的分子数量最大化,需要相应的长度尺度顺应性。Gekco物种在它们的身体中也表现出等级遵从性。灵活的身体和腿可以符合厘米尺度。脚趾和柔软的皮肤负责1~2毫米尺度。在毫米尺度内,特殊的毛发结构由片层、刚毛和覆盖在纳米尺度上的纳米抹刀组成。 Stickybot inherits similar characteristic comprising 12 active actuator, 8 DOF serial and 4 passive compliant DOFs in leg and 16 segmented toes controlled via two stage differential cable driven system.

            定向附着
            Stickybot最大的特点就是定向黏合剂。它具有各向异性结构,粘附力可控,粘附力有方向性。与传统的双面胶相比,上面的影片剪辑展示了定向粘合。与传统的胶带不同,它粘贴在光滑的表面,预紧力非常小,也可以通过减少负载分离。如果在预期的方向上加载,它会在接触区域产生最大的接触,使应力集中最小化。如果加载方向不对,粘附力很低。

          • gekco机器人的脚
          • 脚设计

          • Stickybot的独特之处在于它非凡的足部设计。它的脚有四个分节的脚趾,通过两级差动系统由单推挽电缆控制。使用了三种不同的聚合物,并通过精细织物加强,以最大限度地减少沿粘合剂垫的剪切应力集中。我花了3个月的时间完成了3次以上的设计迭代。利用聚氨酯的高表面能,我们可以在Stickybot脚上测试各种粘胶垫。

            其有趣的电缆路径曲率是精心设计的,以实现良好分布的法向力在接触区域。由于每个脚趾有7节,它可以顺应非平坦的表面。尽管其结构灵活,但可靠的粘附需要精心设计的力传递系统,从索张力到接触面的法向压力。它所需要的剖面是按照右边图表所示的方式计算出来的。

            基本思路是创造均匀的法向压力,造成缆索角度的分化。假设索压缩力恒定,每段应具有相同的力。

            采用差动电缆系统是为了减少驱动器的数量和四个趾之间的力平衡。双摇臂转向架系统是一种等效的机械系统。上一级差动驱动是摇杆和连接两个趾的一根电缆,可以实现下一级差动系统。

        • iSprawl

        • iSprawl是Sprawl机器人家族中最小、速度最快的兄弟。Kim教授在海军研究办公室项目结束时加入了BDML,并为斯坦福大学的第一个创建设计了iSprawl。
            • 蟑螂biorobot
            • iSprawl

            • 基于对蟑螂的研究,灵感迸发而设计出了Sprawl机器人。

              其他sprawl机器人采用气动系统,而iSprawl配备了电池、电机和动力传输系统,可以将旋转运动转化为腿部的相互推力。使iSprawl最独特的是推拉式电缆传输系统。由于Sprawl家族是通过腿部相对于髋关节的旋转来转向的,因此动力传递路径并不固定。这是具有中心发动机的腿式机器人的常见问题。

            • 推挽式电缆系统

            • 使用钢缆作为拉传动是非常常见的,因为你可以很容易地发现在自行车刹车和汽车油门。然而,iSprawl的电缆可以在高速(高达17Hz)的情况下推动和拉动腿,而不会造成显著的能量损失。这使得iSprawl的腿部轻而快的运动速度达到15个身长/秒(2.3米/秒)。
            • iSprawl的前身,是第一个具有自主动力的扩张机器人。采用液压传动系统。当时的想法是探索液压传动,将动力分配到腿部。管子里装着水,这个系统的工作原理就像汽车上的液压刹车,每条腿上只有一个主活塞和一个从活塞。Aqua Sprawl是在浴缸中组装的,以防止气泡。

              经过多次设计迭代,包括重新设计最初的Sprawlita活塞,采用双密封来处理回程时的负压,最终生产出了运行良好的Aqua Sprawl。

              虽然Aqua Sprawl运行得相当不错,但其可实现的速度有一个基本的限制,因为当缩回活塞时,只有大气压力可用。另一方面,这可能是一个很好的水下使用设计!

          • 摆动腿收缩

          • 摆腿回缩(SLR)是人类和动物在着陆前在空中前腿向后旋转的一种行为。提出了单反可以提高生物系统运行性能的假设,并提出了利用单反来提高机器人腿部运动性能的设想。为了验证这些假设,仿生机器人实验室研究了摆动腿收缩对跑步表现的几个指标的影响,
            • 小扰动稳定性和大扰动抑制
            • 触地能量损失和整体能量效率
            • 潜在的伤害,由腿部力量测量
            • 地基稳定性,由脚滑移距离和水平力测量
            通过使用几种不同复杂性的模型,
            • 弹簧式倒立摆(滑移)
            • 两足行走,有巨大的、可伸缩的腿
            • 两足行走,有巨大的,可伸缩的腿和躯干
            • 两足行走,有粗壮的膝盖腿
            通过两种方法,
            • 模拟给定控制律的影响,其中摆动腿的收缩率可以独立地改变,以衡量跑步性能
            • 优化周期轨迹(极限循环),最大限度地衡量每一个摆腿回缩率范围的跑步性能
            我们利用这些研究的结果来发展机器人控制器设计的直觉。
              • 根据修正的SLIP模型,最小冲击损失(以及可能更高的整体能量效率)的最佳缩回率通常高于最大稳定性和抑制干扰的最佳缩回率。此外,随着跑步速度的提高,能量效率和稳定性之间的权衡变得越来越严重。
              • 对于简单的伸缩腿机器人,增加摆动腿的收缩率(增加足切向速度)可以在一定程度上提高能量效率(降低运输的机械成本)。更具体地说,对于一定范围的跑步速度,使运输机械成本最小化的摆腿回缩率是使脚切向速度(即,脚在着地时的绝对速度在垂直于腿轴的方向上的分量)为零所需的速度。
            • Biotensegrity

            • 腿部的肌肉骨骼系统具有适应性神经肌肉控制,利用骨骼、肌肉、肌腱和韧带的协同排列,以相对较轻的结构承受高地的反作用力。例如,考虑一下人类腿的解剖结构。(见图1)在跑步过程中,当跖趾关节(脚掌)有很大的负荷时,踝关节(如果脚被认为是刚体,如图1c所示)将经历一个高力矩(约309 N.m,一个70公斤的人。假设脚掌到踝关节的长度约为0.15米,最大地面反作用力为体重的3倍。然而,地面的反作用力分布在骨骼、肌腱和肌肉中。结果足底筋膜、跟腱和腓肠肌承受张力,跖骨、胫骨等骨主要承受压力。由于骨骼在压缩时比在拉伸时有更好的强度,而肌腱和肌肉在拉伸时有更高的强度,所以载荷的分布提供了一种强而轻的设计。肌腱在提供必要的顺应性和能量储存方面也起着重要的作用。同样的原理在人类(plantigrades)中也可以在蹄形动物(Nail runner,如马,图1)中看到。B和数字化等级(如猫和狗)。
              在高速腿式机器人中,虽然腿需要承受远高于机器人重量的地面反作用力,但对于高速运动来说,最大限度地减小腿的惯性是非常必要的。要实现高速度,必须获得高步幅频率。在飞行阶段,高步幅频率需要非常短的腿部伸展时间。在有腿机器人中,可以通过两种方式实现高步频,1)增加驱动器容量,2)减少腿部惯性。执行器技术的当前状态排除了在不显著增加总体重量的情况下增加执行器容量。因此,减少腿结构的总惯性是更可取的。

              减小腿部质量是减小腿部惯性的关键技术。然而,在减少质量的同时,结构的完整性应该保持,因为腿必须承受高地面的冲击力。因此,设计一个高速的腿部机器人需要在敏捷性(需要低惯性)和腿部设计的强度(需要庞大的结构)之间进行严重的权衡。这种平衡在腿的远端部分变得更加重要,因为它包含更复杂的关节特征。这些特性对于提供更多的功能是必要的,包括对地面的平滑碰撞,弹性能量存储,增加控制。

              目前大多数有腿机器人的机械设计都解决了这一问题,它们使用由钛和铝等高强度重量比材料制成的强壮而笨重的腿。此外,众所周知,腿部结构的顺应性在能量高效的跑步中是非常重要的。使用金属会导致腿非常僵硬,因此有必要引入其他策略来提高腿的顺应性。另一种方法是采用自然界中发现的仿生解决方案,并利用可用的工程知识提供可行的工程解决方案。

              生物系统的一些特性,如分配荷载、能量储存、利用高强度而又轻的拉伸力,使我们想起工程中著名的桁架、张拉整体结构和索结构等销节结构。提取这样的设计原则,并利用骨骼和肌腱的协同排列有几个潜在的好处:1)它允许腿部机器人设计者使用更便宜的材料来制作腿部结构,这也更容易和更快(如成型塑料),2)它减少了腿部结构的重量,从而减少了对高效节能运行有严重影响的总惯性,3)它包含了可作为系列弹性的元素,以提供遵从性和能量存储。

              然而,足部结构的复杂性以及神经肌肉的控制,是现有工程材料和知识所无法比拟的。为了获得一种可行的被动腿设计,采用了腿部生物力学中注意到的一些概念,并基于现有的工程技术提出了一种简化但可行的设计(图2和图3)。具体地,尝试了两种减小机器人腿部重量和惯性的方法。首先,设计一种带肌腱的仿生腿(见图2)。其次,采用了一种新的生物仿生泡沫芯原型法,实现了腿的快速和轻制造,使腿更轻(见图3)。
                • 图1

                • 图1人(A)和马足(b)的骨骼和肌腱韧带的协同排列。(c), (d)比较常规机器人腿结构和肌腱增强腿结构之间的应力分布。
                • 图2

                • 在踝关节处(点A)具有扭转刚度的前腿的潜在设计b.生物仿生腿的设计c.生物仿生腿等效销关节结构的近似示意图。
                • 图3

                • 泡沫芯复合材料机器人结构的制作步骤。(a) CNC铣削制作的模具,(b) RTM铸造的泡沫芯,(c)外壳材料制成的定位盘附着在泡沫部分,(d)真空室内部的无线浇注装置将树脂转移到外壳模具,(e)完成半径联动和截面
                • 图4

                • 图4:无筋设计和有筋设计的有限元分析
                • 图5

                • 两个设计概念的测量半径上的应力的实验装置