像章魚觸角 可打撈太空垃圾
2021年02月09日05:41

原標題:像章魚觸角 可打撈太空垃圾

人類征服太空,也留下了許許多多難以清理的“太空垃圾”。

那些廢棄的助推器,退休的衛星、飛船殘骸,以及大大小小的碎片甚至航天器泄漏的液體,都在地球上空高速環繞,隨時可能給衛星、空間站以及各種航天器帶來致命威脅。

人們一直在研究如何清理這些太空垃圾。歐洲科學家大膽採用“魚叉捕獲”的方式用“魚叉”和“漁網”來打撈太空垃圾。近日,天津大學現代機構學與機器人學中心康榮傑副教授團隊研發出一款新型連續體仿生機器人,彷彿章魚柔軟的觸角,既可柔軟伸縮,又能有力抓取物品。目前該成果已初步應用於空間非合作目標捕獲的研究,有望成為一名出色的太空“捕手”,處理失效衛星和太空碎片。

研究成果以《基於幾何約束的記憶合金變剛度新型連續體機器人建模與分析》為題在機器人領域國際權威期刊《機器人學研究》發表。

康榮傑告訴記者,傳統抓捕太空垃圾的方式基本上選用的都是剛性機械臂。這些裝置在衛星或飛船外側的機械臂與高速移動的空間碎片碰撞後,極易出現損傷。康榮傑和團隊的科學家們從動物身上獲得靈感,比如大象鼻子和章魚觸角都是軟體,能靈巧地捕獲抓取移動的物體,那麼設計一種類似的柔性機械臂,可以緩衝與被捕捉物撞擊時的衝擊力。

科學家設計出的連續體機器人就是一種形如象鼻或章魚觸鬚等軟體生物的新型仿生機器人,它具有極強的結構柔順性和環境適應性。因而無需配備複雜的傳感系統,就能夠在未知環境下執行避障探索等動作,突破了傳統機器人通常只在規定空間內作業的局限性。

這個仿生機器人的本體由超彈性鎳鈦合金製作的中央骨架和3D打印技術製作的約束盤構成。通過均勻分佈在約束盤周圍的驅動絲可控制其本體結構產生主動彎曲或根據環境變化發生被動變形。在視野盲區,可利用安裝在機器人末端的鏡頭和機械手繞過障礙物對目標進行抓取。

為了提高其柔性結構的負載能力,實現“剛柔並濟”的效果,課題組還在機器人內部設計了由記憶合金驅動的剛度調節機構。當機器人達到預定的操作位置後,可將驅動絲與約束盤相對鎖定,進而最多可提高機器人3倍的剛度,使機器人從“柔”變“剛”。

“太空無重力的環境,便於軟體機器人開展活動。”康榮傑說,軟體機械臂也以彎曲摺疊,也使得覆蓋半徑大大增加,未來還可以逐步實現對機械臂的遠程控制,甚至實現對太空垃圾的無人化清理。

此外,研究團隊首次提出了一種利用機器人內部幾何約束關係求解高冗餘柔性機構大範圍變形的建模理論,實現了依靠位置輸出進行精確“力-位置”耦合控制的創新,揭示了傳統模型難以描述的連續體多重彎曲機理。該建模理論可用於指導機器人的結構優化設計和控制算法編寫。

國際電氣電子工程師學會會士,國際重要機器人期刊Robotica主編,本論文共同作者天津大學戴建生教授表示,該成果未來還可應用於災難環境救援,航空發動機探修等特殊場景。

中青報·中青網記者 胡春豔 通訊員 劉曉豔 來源:中國青年報

2021年02月09日 12 版

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