脉冲驱动机器人-通过孤立波运动

时间:2020-05-31 20:19 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

脉冲驱动机器人-通过孤立波运动 科学家们最近探索了非线性波的独特性质,以促进广泛的应用,包括减轻冲击、不对称传输、开关和聚焦。在最近发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项新研究中,邓波莱(Bolei Deng)和来自哈佛大学(Harvard)、法国国家自然科学研究中心(CNRS)、威斯生物工程研究所(Wyss Institute for biology Inspired Engineering)的一组研究人员利用非线性波的传播,让柔性结构爬行。他们将生物启发的实验和理论方法结合起来,展示了当启动的脉冲是孤波时,这种脉冲驱动的运动是如何达到最大效率的。在这项工作中开发出来的简单机器可以在很宽的范围内移动并向前行驶。这项研究利用非线性波扩展了各种可能的应用,为柔性机械提供了一个新的平台。 具有大变形能力的柔性结构由于其有趣的静态响应和支撑大振幅弹性波的能力,引起了生物工程领域的广泛关注。通过仔细控制它们的几何形状,可以设计高度可变形系统的弹性能量场来传播各种非线性波,包括矢量孤子、过渡波和稀疏脉冲。这种结构的动态行为展示了一个非常丰富的物理学,同时提供了新的机会来操纵机械信号的传播。这种机制可以实现单向传播、引导波、机械逻辑和缓解等应用。 在这项工作中,Deng等人受到了蚯蚓的生物逆行蠕动波运动和线性弹性波在超声电机中产生运动的能力的启发。研究小组展示了非线性弹性波在柔性结构中的传播,为运动提供了机会。作为概念的证明,他们专注于一个弹簧机器人,并利用它创造了一个脉冲驱动的机器人,能够推动自己。他们通过将弹簧连接到一个气动执行机构,制造了这台简单的机器。该团队使用了一个电磁铁和一个嵌在回路之间的金属板来启动非线性脉冲,使脉冲沿着装置从前到后传播,使脉冲定向指令简单的机器人向前移动。结果表明,这种脉冲驱动的运动效率是最佳的与孤子-大振幅非线性脉冲速度和稳定的形状沿传播。这项研究扩展了孤立波(孤波)的应用,同时展示了如何将它们作为简单的底层引擎来帮助灵活的机器移动。 脉冲驱动机器人-通过孤立波运动 为了创造Slinky机器人,Deng等人使用了一个长度为50毫米,带有90个回路的金属Slinky,然后测试并理解如何探索其固有的灵活性,并创造了一个能够运动的简单机器。他们连接了两个系列的slinkies(100毫米,180环),基于一个气动驱动器,一个电磁铁和三个丙烯酸板的简单的驱动策略。他们可以拉伸和缩短安装使用气动执行机构,同时保持电磁铁。研究小组测试了机器的反应,把它放在一个光滑的表面上,并用高速摄像机进行监控。邓等人随后关闭了磁场,试图打破对称,导致机器爬行。他们没有观察到弹簧上的反射波,因为回路碰撞时能量消耗很大,而是观察到了机器人清晰的向前运动。因此,研究小组探索了弹性波引入的方向性,从而使机器人移动——即使存在相同的摩擦系数。 脉冲驱动机器人-通过孤立波运动 然而,通过弹性脉冲使柔性机器爬行的尝试表明,实验条件是次优的。例如,他们注意到在关闭电磁铁后立即出现了倒退。为了限制这种运动,Deng等人增加了Slinky机器人头部的质量,同时优化了该值以确定一个最佳范围。机件在前板和加载板之间保持了10圈。该小组指定加载和前板之间的最大距离为Ain,约为100毫米。为了了解Ain = 100mm时机器人的效率如何达到最大值,Deng等人仔细研究了大振幅脉冲在Slinky中的传播。 在这些实验中,他们把注意力集中在一个弹簧上,并监测每一个循环中绿色标记的位置。然后,他们通过在前面附近预先拉伸10个环并关闭电磁铁,启动了向后面传播的弹性波。通过监测每个回路的位移,该团队可以对脉冲的传播有更深入的了解。科学家们意识到机器人的两个主要特征;(1)后向传播的波使弹簧基的质心向前移动,弹簧基支撑了大振幅孤立波的传播。 脉冲驱动机器人-通过孤立波运动 为了进一步了解实验结果,Deng等人开发了一个数学模型来表示单个回路的质量和弹性。计算结果与实验结果非常吻合,模型验证了实验观察结果。分析进一步证实了在初始波为孤子时,Slinky机器人的效率达到了最大值。单个脉冲的非分散特性和紧凑性使它们能够非常有效地将气动执行器提供的能量转换为运动,以获得最有效的脉冲驱动运动。 通过这种方式,邓等人展示了反向传播的孤子如何能有效地推动一个弹簧机器人向前移动。尽管“无肢生物”此前曾启发工程师设计出多种机器人,但该团队相信,这项工作是第一个依靠弹性脉冲移动的机器人系统。研究中提出的原理与超声波电机不同,由于柔性Slinky机器人使用非线性脉冲波来改变质心位置,超声波电机采用的是线性正弦波。在这项工作中,团队只专注于直线前进爬行,但他们可以探索Slinky的灵活性,以实现一系列的运动。 脉冲驱动机器人-通过孤立波运动 接下来,该团队打算通过扭转设备后部的最后一个回路来操控机器人,并控制转向角度,同时强调现有的可能性,使机器人可以在大范围的表面上移动。尽管邓等人在这项工作中只使用了一个弹簧来实现脉冲驱动运动,但这些原则是通用的,可以扩展到跨尺度的可伸缩系统的广泛范围,从而为适合医疗应用的微型爬行器开辟道路。 ?2020 Science X Network
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