一般來講,剛性驅(qū)動(dòng)器,也稱為夾持器,是機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置;它們具有軟涂層,以避免劃傷機(jī)器人所接觸的任何物體表面,但最終驅(qū)動(dòng)器必須相對(duì)堅(jiān)硬,以承受所舉物體的重量。對(duì)于涉及到更輕、易碎物體的應(yīng)用,硬性驅(qū)動(dòng)器必須換成更軟、更靈活的驅(qū)動(dòng)器?,F(xiàn)在,來自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了具有可調(diào)剛度的3D打印多材料驅(qū)動(dòng)器,這可以避免因任務(wù)不同而不得不更換驅(qū)動(dòng)器。這款驅(qū)動(dòng)器包括一層活化形狀記憶聚合物(SMP),該材料可以根據(jù)溫度的變化而改變剛度。先前,嘗試用形狀記憶聚合物制造驅(qū)動(dòng)器,其結(jié)果并不理想,響應(yīng)緩慢,清晰度有限。但該跨國研究團(tuán)隊(duì)使用直寫成型技術(shù)和多材料3D打印技術(shù),將加熱元件和冷卻元件插入驅(qū)動(dòng)器中,從而研發(fā)出首個(gè)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的軟性驅(qū)動(dòng)器。此項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人之一,新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)系的助理教授Qi (Kevin) Ge說道:“我們將商用噴墨多材料3D打印技術(shù)與直寫成型技術(shù)相結(jié)合,制造出全打印快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器,嵌入式形狀記憶聚合物層可以形成剛度可調(diào)性,而快速響應(yīng)則由于嵌入式加熱元件和冷卻元件?!?/span>
形狀記憶聚合物層使得驅(qū)動(dòng)器的硬度是基材的120多倍,還不失靈活性,并且,得益于溫度控制元素,在僅僅32秒內(nèi),驅(qū)動(dòng)器可以經(jīng)受整個(gè)冷熱循環(huán)(從25°C上升到70°C,然后回落至25°C)!葛教授說道:“變形驅(qū)動(dòng)器在其僵硬狀態(tài)下甚至在釋放壓縮空氣之后,可以執(zhí)行荷載任務(wù)。更重要的是,冷熱循環(huán)可以在大約半分鐘內(nèi)完成。”
此外,該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)模型,用于指導(dǎo)后續(xù)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)博士后研究員、論文共同第一作者張?jiān)颊f道:“我們還建立了計(jì)算模型,以模擬首個(gè)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械性能和熱電性能,一旦通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這些模型將用于指導(dǎo)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì),并幫助提升負(fù)載能力。
當(dāng)然,沒有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),任何研究都是不完整的,所以研究團(tuán)隊(duì)制作了帶有三個(gè)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械手,并演示了它舉起和抓取各種物體,包括燈泡和啞鈴。項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人Guoying Gu教授解釋道:“為了展示原型的高負(fù)載能力和形狀自適應(yīng)性,我們?cè)O(shè)計(jì)了快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械手,可以抓取和舉起任意形狀和10克到1.5公斤之間不同重量的物體?!?D打印驅(qū)動(dòng)器,響應(yīng)快速,剛度可調(diào),它幫助研究人員設(shè)計(jì)出的機(jī)械手與人手有著相似的靈活性。人手具有動(dòng)態(tài)剛度,這得益于骨骼、肌肉、肌腱、血液、脂肪和皮膚之間的協(xié)作,因此設(shè)計(jì)并制造出與人類的手十分相似的模型,是十分復(fù)雜的,但借助于3D打印,研究人員正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)!
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