只需2小時，成本不到7塊，你我皆可制作的3D機器人

白交 2020-05-15 09:10:29 來源：量子位

白交 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

機器人的骨架能像昆蟲那般靈活、健壯嗎？這個問題一直困擾著研究人員。

以往，要么制作工藝太過復雜，耗的時間長；要么就是材料設備臺太過于昂貴，始終沒有找到一個合適的方法。

而最近，在《Soft robotics》雜志上介紹了這樣一種研究，主要核心技術叫做“flexoskeleton”（柔性骨架），研究團隊來自加州大學圣地亞哥分校。

這項技術不僅可以由專家使用，新手也同樣可以使用，制作工藝十分簡單，材料和設備成本也十分便宜，非常適合大量生產并且投放市場。

這也是研究團隊所希望的。

研究團隊中機械工程教授Nick Gravish表示，我們希望使軟機器人更易于為全世界的研究人員建造。

接著，我們就來好好了解一下這個機器人到底是什么回事。

最大亮點：“柔性骨架”打印

此次研究最大的亮點莫過于是“flexoskeleton”（柔性骨架）技術了。

以往軟機器人的制作思路是，如何將軟性材料添加到剛性機器人的主體當中。

而此次構建，則是從軟主體入手，然后在關鍵組建中添加剛性特征。

這種結構的靈感來自于昆蟲的外骨骼結構。

我們知道昆蟲的外骨骼，承擔著多種功能，其中包括結構支持、身體保護，靈活性，以及感知、抓取和黏附外部表面等。

而有如螳螂這種節肢動物的外骨骼，還是一種由肌肉傳遞力量到四肢的機械傳動裝置。其中剛性材料與軟組織結合在一個復雜的三維空間里。

基于這樣的啟發，他們就研究出了一種混合剛柔性兼備的機器人組件。

此次柔性骨架打印，是以標準的熔敷沉積建模（FDM）方法3D打印。

在標準的消費級FDM打印機中，將ABS或PLA等塑料長絲從加熱噴嘴的孔中擠出，并沉積在平面打印表面。

此外，還將一聚碳酸酯（PC）薄層粘在我們直接打印的加熱床上。

通過加熱聚碳酸酯，就能夠在3D打印材料和基層之間實現非常強的粘附，這使得在標準消費級FDM打印機上打印彈性柔性結構成為可能。

接著，就需要設置床層溫度在80℃-100℃之間，一旦床層溫度穩定，打印過程就開始了。

FDM打印中有一個常見的控制變量是打印噴嘴與第一層打印層的床層高度之間的Z向偏移量。

為了讓第一個沉積層與PC層實現緊密接觸，并為良好的結合創造足夠的接觸壓力，他們設置了一個相對較小的z偏置，在0.01 – 0.03毫米之間。

打印完成后，進行床層冷卻，剝離PC層。隨后用剪刀或者剃刀等道具手工修建PC層。

這說明，我們的研究者手工也要做的好。(狗頭)

但是文章中也提到，未來的柔性骨骼工藝可能會集成使用乙烯基刀具或激光刀具的PC膜的自動預切割。

ABS/PLA打印材料，對PC的粘附強度都與熱床溫度有很強的相關性，其剝離強度峰值都出現在了90℃-100℃之間。

他們為此還做了演示更直觀的了解了這兩種材料的剝離強度。

他們發現，PC膜具有較高的抗彎回彈性，因此PC基層作為一個抗拉保護層，這樣的柔性骨骼部件可以克服疲勞和故障。

研究了這一骨架打印的可行性，接著就來探究如何調節打印層的形態特征，以控制彎曲性能。

他們從控制關節剛度以及研究關節活動限制范圍兩個方面出發，設計了一個由兩個屈曲關節組成的屈曲骨架腿:一個屈曲關節用于肢體收縮，一個伸展關節用于肢體抬起腳尖。

對于每個關節，我們規定了被動關節剛度和關節屈伸極限，并使用單個肌腱驅動兩個關節，將其置于屈伸關節之上，屈伸關節之下。

當跟腱松解時，腳趾和跟腱的不對稱摩擦導致腳產生對地面的推動運動，從而通過單一跟腱實現滯后的足部運動。

制作機器人

骨架構建成功以后，接著就開始做機器人啦！

該機器人直接使用flexoskeleton打印的四肢和底盤，并由四個微伺服驅動，進行組裝。

每個肢體然后被插入機器人底盤(身體)，并通過絞盤和肌腱與一個微型伺服系統(Tower Pro SG92R)連接。

前肢和后肢之間扭轉屈伸關節的剛度，以改變劃水方向。

此外，這個機器人還擁有一個“即插即用”的假肢設計，這樣能夠快速地更換任何機器人假肢，以適應不同的地形。

研究團隊最終目標，就是創建一條無需手工組裝即可打印整個柔性骨架機器人的裝配線。

這些許多小型機器人可以單獨完成一個大型機器人的工作，甚至更多。

1989年，iRobot聯合創始人羅德尼·布魯克斯提出了太空任務，說其中應包括“ 大量批量生產的簡單自動機器人，按今天的標準，這些機器人很小。”

現在對于Nick Gravish來說，這項研究是朝著這個方向邁出的一步，但是是對于整個機器人技術領域，而不僅僅是太空領域。

參考鏈接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2019.0156