ICRA 2016获奖论文:这些技术和软件可用于机器人的快速制造|新智造

2016-08-28 10:31:12     作者:熊蒙      来源:雷锋网

虽然近些年来,设计和制造科技发生了巨大的进步,让功能性机器人的开发越来越容易,但要实现完全功能性的机器人,前行的道路上依然面临巨大的挑战。

新智造按:本文为ICRA 2016获奖论文,作者 Nicola Bezzo、Ankur Mehta、Cagdas Onal和Michael T. Tolley,来源Robohub,由新智造独家编译,未经许可拒绝转载!

虽然近些年来,设计和制造科技发生了巨大的进步,让功能性机器人的开发越来越容易,但要打造完全功能性的机器人,前行的道路上依然面临巨大的挑战。打造成熟的机器人系统需要不同领域(包括机械、电子、软件和控制理论等)的精湛技术,这些领域一旦取得杰出成就,机器人系统的成熟程度将更进一步。

设计技术

机器人系统设计的目的就是得出制造机器人的整套制作程序,其包含结构、机械制造和组装。这方面的研究将有助于用户从特定类型的结构和功能中得出制造过程。可制造性设计(DFM)因为制作技术的不成熟而对机器人的功能和结构造成限制。随着制造能力的提高,这些限制也能慢慢减少直到消失。比如,随着3D打印技术的发展,现在几乎任何形状的固体物件都能通过3d打印机制造出来。

然而,除了3D打印,我们还有其他的技术。最近的一个例子就是将2D材料折叠在一起的技术,这种技术与日本的折纸工艺类似。现在,一些研究团队已经利用此技术将纸片、塑料薄膜和多层层合板打造成机器人。这种方法有着其他方法不可比拟的优势:首先,它的制造过程很快;此外,它非常灵活。不过,让2D材料变成3D结构依然面临重重挑战。

除了要考虑结构部分之外,机器人设计也要考虑电子和软件系统部分。

制造技术

要实现机器人的快速制造,新的增材制造至关重要。3D打印技术扩展了我们能够直接制造的设备,从扬声器到电池,再到应变传感器,3D打印能够一网打尽。最近,我们团队开始探索3D打印能够用刀的材料、程序和设计方法,旨在扩大3D打印的范围。除了3D打印,机器人制造可用的另一种技术便是形状沉积制造(SDM),其原理是:零件和支撑都是逐层同步生成,而且新增加材料都是液态材料,每层完成之后都是在计算机控制下进行切削加工和应力消除处理,层层叠加直到生成零件。

最近,有团队研究出了一种叫做PC-MEMS(打印环路微机电系统)的程序,其能够用于制造电动机械层板,而这些层板能够用于制造机器人系统。现在,这种方法已经用于制造可行走和飞行的昆虫形状机器人。

软件环境

软件在设计和制造机器人系统中扮演着重要的角色。从设计方面来说,现在很多工具都能通过创造、绘制机械、电子和软件来帮助用户。软件应该尽可能地支持设计、简化设计程序,为最终的产品保驾护航。

利用机器人操作环境(ROS),我们已经搭建了一个面向机器人应用的模块化编程环境,我们将之命名为ROSLab。利用ROSLab,开发者可以将机器人应用中为数众多的运算单元,并将这些单元之间的消息传递方式统统模块化,这样一来,我们就能完全自动化地生成一个机器人应用的主体框架代码。最近,我们让机器人建筑模块库加入到ROSLab中来,继续壮大了ROSLab,来为机器人的机械结构创造更加良好的设计环境。

从电子方面来说,我们需要运用两种主要的汽电共生理论:一种是模块方法,另一种是嵌入式印刷版。两种方法都有着自己的优势和劣势。用模块方法创造的环路可重复利用,便于测试,能够进行特定任务,由诸如Arduino和Sparkfun的制造商团体支持。然而,因为其要连接更多的连接器,所以尺寸更大也更重。同时,成本也更贵。而嵌入式印刷版可实现定制化,因此其在尺寸和重量上优势明显,这也是为什么它在小型机器人制造上得到了广泛应用。

讨论

以上总结的技术和软件能够用于机器人系统的快速制造,然而要让设计方案与最后的成品一致,我们还面临着巨大的挑战。因此,在设计和制造的过程中,我们需要反复确认,以让成品满足设计师的要求。

不过,而就目前来说,原型系统发展得越来越低价,这就大大减少了设计程序中确认的必要。现在,我们可以放心大胆地运用各个方法进行测试,不断尝试找出错误,直到得出最终正确的结果。有时候,这种方法也是一种经济和可行的方案。

接下来,我们说说按需设计的机器人。简而言之,它就是一种定制化的机器人。现在,对于定制化机器人,业界存在两种观点。有人支持这种机器人的发展,认为其能让用户开发自己独一无二的机器人。而有人认为这种机器人的存在其实没有必要,他们认为业界的重点应该放在扩展机器人制造程序的能力之上,这样我们就会有更多可以通用的机器人。不过,业界公认未来的机器人能够完成的任务会越来越多。

我们相信以上列出的技术和软件会对机器人制造领域产生重大影响。

首先,它们不仅适用于定制化机器人,也适用于通用机器人,研究者们可以根据自己的特定范畴来选取特定的方法。

其次,而不管选取哪种方法,它们都比传统机器人制造方法要节省成本。

此外,随着机器人扩展到更多的领域(比如扩展到艺术创作领域),越来越多人提出了一个问题:如何才能让机器人对人类产生积极影响?现在,我们已经研究了一些能够造福人类的机器人(如农业机器人、医疗机器人等),以打造更多服务人类的机器人。而以上所提的方法和软件将会对打造价格亲民、易于制造、造福人类的机器人产生巨大的影响。

最后,它们也有着教育意义,鼓励更多的后辈们成为机器人学家和工程师。

Via:Robohub

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