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以及通过设计仍然可以实现多少复杂的运动

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科学家开发了一种3D打印的机器人手,只需移动手腕即可在钢琴上播放简单的音乐短语。虽然机器人不是艺术家,但它展示了复制人手的所有能力是多么具有挑战性,以及通过设计仍然可以实现多少复杂的运动。

由剑桥大学的研究人员开发的机器人手是通过3D打印软质和刚性材料制成的,用于复制人手中的所有骨骼和韧带

而不是肌肉或肌腱。尽管与人手相比,这限制了机器人手的运动范围,但研究人员发现依靠手的机械设计仍然可以实现令人惊讶的宽范围运动。

使用这种被动运动 – 手指不能独立移动 –
机器人能够模仿不同风格的钢琴演奏,而不会改变手的材料或机械特性。科学机器人杂志报道的结果可以帮助设计能够以最少的能量使用进行更自然运动的机器人。

动物和机器中的复杂运动源于大脑(或控制器),环境和机械体之间的相互作用。系统的机械特性和设计对于智能功能非常重要,并且可以帮助动物和机器以复杂的方式移动而不会消耗不必要的能量。

我们可以利用被动来实现机器人的广泛运动:例如,步行,游泳或飞行,该论文的第一作者剑桥工程系的Josie
Hughes说。智能机械设计使我们能够以最小的控制成本实现最大范围的运动:我们希望看到机械师能够获得多少运动。

在过去几年中,由于3D打印技术的进步,软组件已经开始集成到机器人设计中,这使得研究人员能够增加这些被动系统的复杂性。

人手非常复杂,在机器人中重现其所有的灵活性和适应性是一项巨大的研究挑战。今天的大多数高级机器人都无法完成小孩子可以轻松完成的操作任务。

这个项目的基本动机是了解具体的情报,即我们机械体的情报,领导这项研究的Fumiya
Iida博士说。我们的身体由智能机械设计组成,如骨骼,韧带和皮肤,即使没有主动的大脑控制,也能帮助我们智能地行动。通过使用最先进的3D打印技术打印人类柔软的手,我们现在能够探索物理设计的重要性,与主动控制隔离,这对于人类钢琴演奏者来说是不可能的,因为大脑不能像我们的机器人一样关闭。

钢琴演奏是对这些被动系统的理想测试,因为它是一项复杂而细致的挑战,需要大量的行为来实现不同的演奏风格,休斯说。

通过考虑机械,材料特性,环境和手腕驱动如何影响手的动态模型,机器人被教玩。通过致动手腕,可以选择手与钢琴相互作用的方式,从而允许手的具体智能确定它与环境的相互作用。

研究人员编写了机器人编程,通过手腕的运动实现了一些短片(断奏)或平滑(连音)音符。这只是当时的基础知识,但即使采用这种单一动作,我们仍然可以获得相当复杂和细致入微的行为,休斯说。

尽管机器人手的局限性,研究人员表示他们的方法将推动进一步研究骨骼动力学的基本原理,以实现复杂的运动任务,以及学习被动运动系统的局限性。

这种机械设计方法可以改变我们构建机器人的方式,Iida说。制造方法使我们能够以高度可扩展的方式设计机械智能结构。

我们可以扩展这项研究,以研究如何实现更复杂的操作任务:开发可以执行医疗程序或处理易碎物体的机器人,休斯说。这种方法还减少了控制手所需的机器学习量;通过开发内置智能的机械系统,它使机器人更容易学习控制。

该研究由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)资助。

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