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一种新的受生物启发的关节模型用于设计机器人外骨骼

人工智能 2021-02-03 10:38:15

机器人技术领域的最新进展使得制造越来越复杂的机器人肢体和外骨骼成为可能。机器人外骨骼本质上是由不同机器人零件制成的可穿戴“外壳”。外骨骼可以提高使用者的力量,能力和稳定性,帮助他们以更少的精力完成繁重的体力劳动或在事故发生后帮助他们康复。

到目前为止,大多数外骨骼都是使用基于固定轴旋转铰链的模型创建的。尽管此模型简单且相当有效,但它并未反映出人体关节旋转的方式(即,以多中心方式),这会损害或限制佩戴者的运动。

因此,近年来,机器人专家一直在研究制造外骨骼的替代模型的潜力。这些技术之一需要使用N型杆连接来连接肢状组件。如果仔细实现,这些链接可以有效地复制特定的人类动作,因为它们不会出现与单中心固定轴旋转铰链设计相关的不一致之处。

尽管N型连杆已被证明是复制人体关节运动的非常有前途的工具,但过度使用它们可能会导致骨骼外结构松散和不稳定。这种缺乏稳定性使所得的外骨骼不适合使四肢受伤或瘫痪的患者康复。

中国西安交通大学的研究人员最近推出了一种新的联合模型,该模型可以促进更稳定,更坚固的外骨骼的发展。他们的模型(发表在IEEE Access上的论文中)受到节肢动物的启发,节肢动物是一种无脊椎动物,具有生物骨骼,节肢和成对的附肢特征。已知节肢动物的例子是昆虫(例如,蚱,、蚂蚁,蜜蜂和蜻蜓),蜘蛛(例如,蜘蛛和蝎子),无足纲(例如,and和千足虫)和甲壳类(例如,螃蟹,龙虾和虾)。

研究人员在论文中写道:“实现仿生运动的一种常见方法是在轴承内使用n杆联动机构,但最终的接头可能会变得复杂。” “在这里,我们提出了一种基于蚱hopper关节解剖结构的关节模型,该模型由一对共轭表面和一个柔性连接体组成。”

研究人员设计的模型的灵感来自于蚱under运动的机制。然而,一个简单的解剖学实验表明,它也有效地复制了螃蟹和龙虾四肢移动的方式,这表明它反映了大多数节肢动物的身体结构。

作为研究的一部分,研究人员使用他们的模型创建了外骨骼的原型关节。他们使用开发的优化算法设计了该关节。

随后,他们通过一系列实验评估了原型关节,以验证其性能和运动学特性。这些实验中收集到的发现证实了他们的模型在设计仿生机器人系统中的可行性及其优势。

将来,由这组研究人员创建的节肢动物启发式联合模型可用于构建更有效的外骨骼或其他机器人结构,以用于各种应用,包括康复或增强人类能力。与其他外骨骼设计策略相比,它可以使人类更自由,更自然地运动,同时还可以确保对人体的充分支撑。

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