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灵感来自螃蟹!西安交大首次研发仿生关节外骨骼模型,采用优化算法设计

Evelyn Zhang

制造越来越复杂的机器人四肢和外骨骼,成为了医疗机器人领域的最新进展。在仿生学领域,科学家们“取经”往往能获得意想不到的成果。

机器人外骨骼本质上是由不同的机器人部件制成的可穿戴“外壳”,可以提高使用者的力量、能力和稳定性,帮助他们在事故后的康复。但过度使用,会导致松散和不稳定的外骨骼结构。这种稳定性的缺乏,使外骨骼变得不适用于受伤或瘫痪肢体的康复患者。

西安交通大学的研究人员最近推出了一种基于蚱蜢关节解剖结构的关节模型。该关节由一对共轭曲面和一个柔性连接体组成,可以开发出更稳定、更强健的外骨骼。

西安交大首次研发仿生关节外骨骼模型

他们的模型发表在IEEE Access上的一篇论文中,其灵感来自节肢动物,这是一种无脊椎动物,其特征是生物外骨骼、分节的身体和成对的关节附件。已知的节肢动物包括昆虫(如蚱蜢、蚂蚁、蜜蜂和蜻蜓)、蛛形纲动物(如蜘蛛和蝎子)、多足纲动物(如蜈蚣和千足纲动物)和甲壳纲动物(如螃蟹、龙虾和虾)。

研究人员在论文中表示:“实现仿生运动的一种常见方式是在轴承内使用n杆连杆机构,但由此产生的关节可能会变得复杂。”“在此,我们提出了一个基于蚱蜢关节解剖结构的关节模型,该关节由一对共轭曲面和一个柔性连接体组成。”

研究人员设计的这个模型的灵感来自于支撑蚱蜢运动的机制。然而,一个简单的解剖实验表明,它也能有效地复制螃蟹和龙虾移动四肢的方式,这表明它反映了大多数节肢动物的物理结构。

作为研究的一部分,研究人员使用他们的模型创建了一个外骨骼的原型关节。他们用自己开发的优化算法设计了这个关节,以供机器人应用。

随后,他们在一系列实验中评估了他们的原型关节,以验证其性能和运动学特性。这些实验的结果证实了他们的模型设计仿生机器人系统的可行性及其优点。

在未来,这组研究人员创造的受节肢动物启发的关节模型,可以用于建造更有效的外骨骼或其他机器人结构,广泛用于各种应用,包括康复或增强人类的能力。与其他外骨骼设计策略相比,它可以让人类更自由和自然地移动,同时也确保他们的身体得到充分的支持。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:http://techxplore.com/news/2021-02-bio-inspired-joint-robotic-exoskeletons.html

http://ieeexplore.ieee.org/document/9316259/figures#figures

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