大多數(shù)機(jī)器人手臂是由長直管和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。這一點(diǎn)也不奇怪，因?yàn)槲覀兊乃闹际且酝瑯拥姆绞浇ㄔ斓模@是一個(gè)聰明而高效的設(shè)計(jì)。通過增加更多的管和關(guān)節(jié)（或自由度），可以提高機(jī)械手臂的功能性，但代價(jià)是復(fù)雜性、重量和成本也會(huì)增加。

在ICRA，由Nicolas Rojas領(lǐng)導(dǎo)的倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）的REDS Lab的研究人員介紹了一種機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，這種機(jī)器人是圍繞著可延展的結(jié)構(gòu)而不是剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)建的，這樣可以在不增加額外自由度的情況下提高手臂的多功能性。這個(gè)想法是，你不再受靜態(tài)管道和關(guān)節(jié)的約束，而是可以重新配置你的機(jī)器人，使其完全按照你想要的方式設(shè)置，并在你想改變的時(shí)候輕松地改變它。

在手臂的可彎曲部分內(nèi)部是一層又一層的聚酯薄膜，切成片狀，疊放在另一層上，這樣每個(gè)皮瓣至少由11個(gè)其他皮瓣重疊或重疊。聚酯薄膜足夠滑，在大多數(shù)情況下，皮瓣可以平滑地相互移動(dòng)，幫助調(diào)整手臂的形狀。擋板被密封在乳膠膜之間，當(dāng)空氣從膜之間被抽出來時(shí)，它們互相擠壓，使整個(gè)結(jié)構(gòu)變得堅(jiān)硬，無論你把它放在什么形狀，它都會(huì)自動(dòng)鎖定。

Image: Imperial College LondonThe malleable part of the robot consists of layers of mylar sheets, cut into flaps that can move smoothly against each other, letting you adjust the shape of the arm. The flaps are sealed up between latex membranes, and when air is pumped out from between the membranes, they press down on each other and turn the whole structure rigid, locking itself in whatever shape you’ve put it in.

這個(gè)系統(tǒng)的好處是它是一個(gè)軟機(jī)器人和剛性機(jī)器人的結(jié)合，你可以獲得一個(gè)軟系統(tǒng)的靈活性（物理和隱喻），而不必?fù)?dān)負(fù)其他的控制問題。它在機(jī)械上比兩者都復(fù)雜（混合動(dòng)力系統(tǒng)往往如此），但你節(jié)省了成本、尺寸和重量，并減少了所需的執(zhí)行器數(shù)量，而執(zhí)行器往往是容易發(fā)生故障的地方。

更多細(xì)節(jié)，我們（作者，以下簡稱我）通過電子郵件與第一作者Angus B. Clark進(jìn)行了交流。

IEEE Spectrum：這個(gè)想法是從哪里來的？

Angus Clark：可塑性機(jī)器人的概念來自于這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)：大多數(shù)串聯(lián)機(jī)器人手臂有6個(gè)或更多自由度（DoF）——通常是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，但通常只需要2到3個(gè)自由度即可完成任務(wù)。機(jī)器人手臂的想法，實(shí)現(xiàn)靈活性和適應(yīng)任務(wù)，但保持簡單的低自由度系統(tǒng)，以及快速發(fā)展的可變剛度連續(xù)體機(jī)器人的醫(yī)療應(yīng)用，啟發(fā)了我們發(fā)展可塑性機(jī)器人的概念。

有哪些方法可以使可延展的機(jī)器人手臂具備獨(dú)特的優(yōu)勢？哪些潛在的應(yīng)用可以利用這些優(yōu)勢？

可延展機(jī)器人能夠完成多種傳統(tǒng)任務(wù)，如揀放或垃圾箱揀選操作，而無需在每個(gè)任務(wù)中使用額外的關(guān)節(jié)，因?yàn)闄C(jī)器人手臂的靈活性是由可延展連桿提供的。這使得整體尺寸更小，包括機(jī)器人的重量和占地面積，以及更低的功率要求和成本，雖然使用了更少的關(guān)節(jié)，但卻不會(huì)犧牲適應(yīng)性。這使得機(jī)器人非常適合于這些因素都很關(guān)鍵的場景，例如在太空機(jī)器人領(lǐng)域，每節(jié)省一公斤的重量都是至關(guān)重要的，或者在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，降低成本可以幫助擴(kuò)大應(yīng)用。此外，柔性機(jī)器人的協(xié)作性和軟機(jī)器人的特性也使得其可以在工廠中作為協(xié)作機(jī)器人與人類安全地工作。

“The idea of malleable robots came from the realization that the majority of serial robot arms have 6 or more degrees of freedom (DoF), yet are typically performing tasks that only require 2 or 3 DoF”

—Angus B. Clark, Imperial College London

與傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)間剛性連桿相比，使用可鍛連桿有哪些缺點(diǎn)？

目前，可鍛連桿的最大剛度比等效的實(shí)心鋼剛性連桿的最大剛度要小得多，這是影響運(yùn)動(dòng)精度和精度的關(guān)鍵研究領(lǐng)域之一。我們已經(jīng)創(chuàng)造了現(xiàn)有最大的可變剛度連桿，長度約為800毫米，直徑為50毫米，適用于中小型工作空間的可塑性機(jī)器人。我們目前評(píng)估這一精度的結(jié)果是好的，但是在整個(gè)可鍛鏈環(huán)上實(shí)現(xiàn)均勻的剛度可能會(huì)有問題，因?yàn)樵诜庋b膜彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生褶皺。正如我們的SCARA topology所證明的，這可能會(huì)產(chǎn)生輕微的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致精度降低。

機(jī)器人有辦法知道自己的形狀嗎？有可能，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)以某種方式重新配置自己嗎？

目前，我們使用運(yùn)動(dòng)跟蹤來計(jì)算機(jī)器人的topology結(jié)構(gòu)，并在機(jī)器人的關(guān)節(jié)上放置標(biāo)記。利用距離幾何學(xué)，我們可以得到機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，并以此來控制機(jī)器人的末端執(zhí)行器（夾持器）。理想的情況是，在未來，我們希望開發(fā)一個(gè)不再需要使用運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像機(jī)的系統(tǒng)。

至于機(jī)器人自身的重新配置，我們稱之為“固有的可延展性連接（intrinsic malleable link）”，有許多方法已經(jīng)被證明可以控制連續(xù)體結(jié)構(gòu)，例如使用正壓力或通過鋼筋束線，但是能夠?qū)崟r(shí)確定連接的曲率，而不僅僅是關(guān)節(jié)位置，是一個(gè)需要解決的重大障礙。然而，我們希望看到未來發(fā)展的可塑性機(jī)器人努力解決這個(gè)問題。

你下一步要做什么？

對(duì)我們來說，改進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，使之成為一個(gè)健壯和完整的系統(tǒng)，允許用戶協(xié)作重塑機(jī)器人，同時(shí)仍能達(dá)到機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)期的精度，這是我們目前的主要目標(biāo)。可塑性機(jī)器人是我們引入的一個(gè)全新領(lǐng)域，因此為開發(fā)和優(yōu)化提供了許多機(jī)會(huì)。在未來的幾年里，我們希望看到其他研究人員與我們一起解決這些問題。