日本东北大学的柔韧机械手,可从高温火焰中取出锋利、形状复杂易碎的物体

机器人 2018年11月06日
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日本东北大学的研发小组新开发了一种机械手,能从高温火焰中取出锋利的、形状复杂的或者易碎的多种物体(图1)。

耐火性和耐划伤性优异的串珠状机械手的基本概念

图1:耐火性和耐划伤性优异的串珠状机械手的基本概念

这款机械手以放射状配置像串珠一样的手指,实现了不会像袋式抓手那样发生袋子破裂等情况的结构。由此提高了耐划伤性,另外,串珠的珠体采用金属材料制造,实现非常高的耐火性的同时还具有很强的灵活性,作业时,抓取的对象自不必说,机械手本身也不会受到损伤。

以前开发的袋式机械手虽然能抓取各种不同形状的物体,但袋子的材料是橡胶和布,耐热性较差,难以在高温环境下工作。利用此次的开发成果,能抓取的物体范围大幅扩大,不但可以在火灾等高温灾害现场使用该机械手去除妨碍接近热源的瓦砾,还有望为工厂的高温作业和生产效率的提高做出巨大贡献。

<研究成果概要>

新开发的机械手的结构如图2所示,抓手采用以放射状配置串珠状手指的对称结构。采用这种结构能包裹住物体进行抓取。

新开发的串珠状机械手机构的外观

图2:新开发的串珠状机械手机构的外观

以前那种利用颗粒物质阻塞相变(Jamming Transition)现象的柔刚转换功能采用袋式结构,袋子破裂的话便无法再正常工作,因此以前的机械手无法抓取锋利的物体。此次,研发小组为解决这个问题,决定设计并制造一款结构与原来完全不同的机械手,具体如下。

1.机械手的整体构成:以放射状配置串珠状手指结构

为最大限度提高耐划伤性,研发小组花大量时间通过实机实验对各种材料和结构进行了研究,最终决定采用以放射状配置“不可能发生‘破裂’现象”的串珠状手指的整体结构。串珠状手指通过收紧内部的线使各个珠子紧靠在一起,由此来提高硬度。

以前那种利用阻塞相变现象的袋式结构内部含有空气,因此存在一系列的问题,比如接触到锋利物体的话袋子会破裂、在高温环境下内部空气会膨胀、袋子的材料橡胶和布本身就无法置于高温下。具备串珠状手指的机械手,珠子采用耐火性比较高的金属材料制造,不但耐久性高,还能实现非常高的耐火性。

实现高耐火性的串珠状机械手机构的外观

图3:实现高耐火性的串珠状机械手机构的外观

技术要点:优化线状柔刚转换机构的单元形状
技术要点:优化线状柔刚转换机构的单元形状

图4:配备在平板车上的机械臂

2.技术要点:优化线状柔刚转换机构的单元形状

串珠状一维阻塞机构每个单元的弧形部分和表面摩擦情况也是此次的技术难点。图6(a)所示的球状珠子很难维持路径形状,但通过将单个珠子的结构制成(b)所示的碗状,就能在维持路径形状的状态下提高刚性,实现硬化。在一维阻塞机构上使串珠结构向一个方向弯曲,然后安装到机械手上就形成了图7中的机体。

这样,无需在机械手内部配备传感器和致动器,就能拥有根据物体形状进行抓取的功能,实现了具备前所未有的超高耐火性和耐划伤性的机械手,即使接触锋利的物体或者用刀切割也不会出现袋子破裂的情况。

可进行刚柔转换的线状机构(一维阻塞机构)的外观

图5:可进行刚柔转换的线状机构(一维阻塞机构)的外观

单一单元对称形状

(a)单一单元对称形状

单一单元碗状形状

(b)单一单元碗状形状

图6:一维阻塞机构的基本原理

采用一维阻塞机构作为手指的机械手的外观(简易型通用版)

图7:采用一维阻塞机构作为手指的机械手的外观(简易型通用版)

3.各种抓取实验

研发小组利用上述拥有串珠状手指的机械手进行实验,抓取了图8中的锋利物体。以前,柔软的橡胶膜接触到阀门的锋利部分就会破损,而此次开发的采用串珠状一维阻塞机构手指的机械手,经确认可以在不受任何损伤的情况进行阀门开关作业。

能用机械手抓取的日常用品

图8:能用机械手抓取的日常用品

(还能抓取刀具的刀刃部分)

另外,如图9所示,将机械手插入火焰中抓取缠绕着刺绳的约2kg重变形铁棒的实验也取得了成功。图10和11分别是在高温环境下作业的整体图像和机械手部分工作时的放大图。

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图9:在高温环境下抓取缠绕着刺绳的瓦砾

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图10:耐火性抓取实验的整体图像

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图11:耐火性抓取实验中机械手部分的放大图

如上所述,利用新开发的机械手能抓取以前无法抓取的高温物体、锋利物体、形状不规则物体及脆弱松软的物体,比如破损的阀门、形状不规则的碎玻璃、建筑上外露的钉子和铁丝网等。

此外还打算用于灭火设备,通过将水枪设置在机械手的中央,在撬开瓦砾以及门和盖子后,能直接向火源喷射灭火剂,以迅速进行灭火。

另外,这款机械手重量非常轻,可配备于以蛇形救灾机器人和腿型救灾机器人为首的各种平台。

除了耐划伤性优异外,新款机械手的耐火性也得到提高,火灾等灾害现场自不必说,在工厂的生产现场,这款灵活的机械手的实用性也大幅提高,预计今后将得到广泛应用。

文 客观日本编辑部

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