NASA 科技到你家!「张拉整体」机器人(tensegrity robot)正悄悄爬进你的通风管

 

 

加州大学圣地牙哥分校(University of California San Diego)机器人实验室博士生 Jeffrey Friesen 近期发表一款能够用以检测狭窄管线空间的「张拉整体」机器人 DuCTT(Duct Climbing Tetrahedral Tensegrity),不仅能自动爬上人力难以企及的垂直管道,并且质轻丶韧性强丶耗能低,充电後一次还能运行 6 小时之久。

 

 

NASA 科技到你家 张拉整体机器人正悄悄爬过你的通风管 1.png

 

 

 

根据世界卫生组织(World Health Organization)近期调查结果显示,尽管美国人的生活有 90% 在室内度过,却有高达 30% 的建筑室内空气因通风管积聚灰尘丶微粒受到污染。美国国家环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency)则估计,全美公司行号光是一年就要花费 600 亿美元在检测丶维修与清洁大楼管线上;而在通风管线未经清理的建筑中工作丶生活的人,则有 60% 的机率会罹患各种呼吸道疾病,严重危害健康。

 

现阶段研发中的其他遥控清理机器人,通常是以小型车辆搭配刷具的形式呈现,但它们多半对於攀爬垂直管线束手无策,或因续航时间不足,无法确实深入漫长管线的内部。Friesen 与团队同仁起初打造出能伸出长腿进行清理的传统式蜘蛛型机器人,但 Friesen 很快发现这个切入点有问题:为让这款机器人拥有更长续航时间丶更高的灵活度,他们不断增加电源及马达数量,然而这麽做却使机器人本身愈来愈笨重丶效率降低。最後,一架重达 15 磅(约 6.8 公斤)的机器人,却只能勉强爬上倾斜角度不过 3 度的「斜坡」!这显然行不通。

 

後来,受到美国太空总署加州艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)2013 年所开发丶将用以探测土星最大卫星泰坦(或称「土卫六」)的超级球机器人(SUPERball Bot)的启发,Friesen 转而探索开发这种近年来受到高度关注的「张拉整体机器人」的各种可能。

 

 

 

(*此视频为 NASA 在 2015 年 IEEE 国际机器人学与自动化科技研讨会(ICRA 2015)上发表关於其「张拉整体」太空探勘机器人 SUPERball 的介绍,非 UCSD 此次研发之通风管清理机器人。)

 

 

 

「张拉整体」的英文名称 tensegrity 其实是由 tension(张力)与 integrity(整体性)两字组合而成。这个突破性概念最早由美国知名建筑师巴克敏斯特.富勒(Buckminster Fuller,1895 – 1983)所创,描述一种特殊的建筑结构,在这种体系里,分散的压缩力(compression)来源与持续的张力来源产生对峙,达成内部整体的平衡与稳定,使得一切能量与空间都能够以最高效益作分配丶使用。当这种设计概念运用在 NASA 的「超级球机器人」上,最大的优势便是令它能够承受登陆与探勘外星球时不可避免的撞击,平均分摊受力,藉由「弹跳」丶「伸缩」丶「滚动」丶「自由变形」的方式适应各种无法预期的地形,同时保持自身主要结构的完好无缺。

 

根据以上原则,重新设计过的 DuCTT 机器人由两组四面体(tetrahedrons,即四个三角形面以共同边丶共同顶点所组成的多面体)金属支架组成,所有的电池丶马达丶感应器(包括压力侦测器)丶电子零件都藏在密闭的碳纤维管中,保护它们不受大楼管线内可能的存在的液体或气体污染丶侵蚀丶渗透。Friesen 坦承,其实最早的 DuCTT 机器人原型本来只是用铝管和 3D 列印的「关节」拼装而成,「结果有一次我们不小心把它摔到地上,3D 列印的部分当场粉身碎骨,几个月的心血瞬间泡汤。」现在,第二代的 DuCTT 主要以铝金属构成,只有少部分不会直接受到冲击的部分采取 3D 列印制作(如电池盒),内管和部分关节则用碳纤维打造,比初代原型减轻了 10% 的重量。

 

 

 

 

 

值得一提的是,新款 DuCTT 关节部分的结构是仿造人类肩膀关节而来,藉「张拉整体」的特性让致动器两两平行,绕着一个固定的旋转中心做有弹性的运动,较过往用一系列旋转马达来模仿球形关节的设计方式,要有效率得多。活动时,由於质地轻巧,同时具弹性与韧性,这款机器人只需要少量的马达驱动以高密度聚乙烯(high-density polyethylene, HDPE)制造的极细缆线,带动外部支架与「关节」的运动,以像毛毛虫一样「收缩—舒张」「收缩—舒张」的运动方式,进行各种动作与角度来前进丶後退或垂直攀爬。它特殊的结构会将动力平均分配到机器人的每一个环节,以有限的能量创造出最大的前进效益。

 

考虑到这些作为主要动能来源的缆线直径只有 0.1 公厘粗,几乎不占什麽体积,却可以带动 300 磅(约 136 公斤)的惊人重量,加上 DuCTT 机器人充一次电只需 2 小时,充电後却能持续运行 6 小时之久,过去此类机器人的动力与续航力问题已经有了重大进展。未来研究团队将以「完全自主探勘 / 清扫」为目标,在 DuCTT 机器人上增加更多需要的配备,派它前往四面八方以各种方向延伸丶各种角度倾斜的管线,进入我们的居家生活与都市建筑的心脏。

 

 

 


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