受人類膝關(guān)節(jié)啟發(fā)的機(jī)器人關(guān)節(jié)矯正99%對(duì)位偏差，抓握力提升三倍以上。新型關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)讓機(jī)器人更高效、抓手更強(qiáng)力、膝部輔助裝置精準(zhǔn)貼合.

哈佛大學(xué)工程師開發(fā)出一種設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的新方法，其靈感源自人類膝關(guān)節(jié)，有望提升機(jī)器人效率并增強(qiáng)抓手力度。該方法采用滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)——由柔性連接件固定的成對(duì)曲面通過(guò)滾動(dòng)與滑動(dòng)相互作用。

新技術(shù)根據(jù)關(guān)節(jié)需承受的力和執(zhí)行的任務(wù)，對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)部件的形狀進(jìn)行優(yōu)化。這使得關(guān)節(jié)自身能高效傳導(dǎo)能量，減少對(duì)大功率執(zhí)行器和復(fù)雜控制系統(tǒng)的依賴。

"當(dāng)設(shè)計(jì)具有特定功能的機(jī)器人時(shí)，比如行走機(jī)器人，我們可以開始思考施加力量的最佳位置，"該研究第一作者、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生科爾特·德克爾表示，"若能將這些決策融入機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，就能造出更高效率的機(jī)器人。它們可以使用更小的執(zhí)行器，因?yàn)槟芰勘痪珳?zhǔn)導(dǎo)向需要之處。"

論文資深作者羅伯特·伍德補(bǔ)充道："我們的目標(biāo)是將盡可能多的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)移到機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料中，讓控制系統(tǒng)專注于任務(wù)級(jí)目標(biāo)?？茽柼氐姆椒◤臄?shù)學(xué)和機(jī)械層面都完美實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想，且手法非常精妙。"

精密機(jī)械的融合

這一創(chuàng)新源于改進(jìn)軟體機(jī)器人抓手的嘗試——這類抓手需要在輕柔包裹物體的同時(shí)施加強(qiáng)勁力道。通過(guò)剛性連桿與柔性關(guān)節(jié)的結(jié)合，團(tuán)隊(duì)將滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)作為模擬人體骨骼與軟骨的解決方案進(jìn)行研究。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：采用新方法優(yōu)化的類膝關(guān)節(jié)，相較于標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)可減少99%的對(duì)位偏差；使用相同執(zhí)行器輸入時(shí)，按此原理設(shè)計(jì)的雙指機(jī)器人抓手，其負(fù)重能力達(dá)到傳統(tǒng)圓盤關(guān)節(jié)與滑輪結(jié)構(gòu)的三倍以上。

傳統(tǒng)滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)采用簡(jiǎn)單的圓形曲面，而哈佛團(tuán)隊(duì)的方法能設(shè)計(jì)出沿特定路徑運(yùn)動(dòng)、并在該路徑上實(shí)現(xiàn)預(yù)定傳力比的不規(guī)則曲面。德克爾解釋："我們通過(guò)大量數(shù)學(xué)計(jì)算證明：若關(guān)節(jié)需要遵循特定運(yùn)動(dòng)軌跡，并在此軌跡上保持特定傳力比，就能找到呈現(xiàn)這些特性的曲面與滑輪組合。隨后可將此設(shè)計(jì)流程應(yīng)用于優(yōu)化行走、跳躍或抓取等任務(wù)的關(guān)節(jié)。"

強(qiáng)力抓手的誕生

優(yōu)化后的滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)可拓展至廣泛領(lǐng)域，包括輔助設(shè)備、外骨骼、仿人機(jī)器人乃至動(dòng)物生物力學(xué)研究。這種設(shè)計(jì)使關(guān)節(jié)能夠針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定制，實(shí)現(xiàn)效率與性能最大化。

該技術(shù)標(biāo)志著機(jī)器人與設(shè)備向更自然運(yùn)動(dòng)模式邁進(jìn)一步——通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)本身解決復(fù)雜運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，而非完全依賴軟件控制。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。

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