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        組裝機器人由小零件制成大型結構

        • 機器人
        • 2019-10-19 14:45:45

        當今的商用飛機通常是分節制造的,通常是在不同的位置制造–一個工廠的機翼,另一個工廠的機身部分,其他地方的尾翼部件–然后空運到大型貨運飛機的中央工廠進行最終組裝。

        但是,如果最后的裝配是唯一的裝配,而整個飛機是由大量細小的相同零件組成,并且全部由一群微型機器人組成的,那該怎么辦呢?

        這就是研究生本杰明·杰內特(Benjamin Jenett)與麻省理工學院的位與原子中心(CBA)的尼爾·格申菲爾德教授一起工作的愿景,是他的博士論文。如今,這類機器人的原型版本可以組裝小型結構,甚至可以作為一個團隊一起構建更大的組件。

        Jenett,Gershenfeld,研究生Amira Abdel-Rahman和CBA校友Kenneth Cheung SM '07博士在一篇論文中發表了這項新工作,該論文發表在《 IEEE機器人與自動化快報》十月號中。12年級的人現在在NASA的艾姆斯研究中心工作,他領導ARMADAS項目設計可以用機器人組裝建造的月球基地。

        休斯敦大學電氣與計算機工程副教授亞倫·貝克爾(Aaron Becker)說:“本文是一種享受。”他說:“它結合了一流的機械設計,令人贊嘆的演示,新的機器人硬件以及包含100,000多個元素的仿真套件。”

        “這的核心是一種新型的機器人技術,我們稱之為相對機器人,” Gershenfeld說。他解釋說,從歷史上看,機器人技術分為兩大類:一類是由昂貴的定制組件制成的,這些組件針對諸如工廠組裝之類的特殊應用進行了精心優化,而另一類則是由廉價,批量生產且性能低得多的模塊制成。但是,新的機器人可以替代這兩種機器人。它們比前者要簡單得多,但要比后者要強大得多,并且它們有可能徹底改變大型系統的生產,從飛機到橋梁再到整個建筑物。

        根據Gershenfeld的說法,關鍵區別在于機器人設備與其所處理和操縱的材料之間的關系。他說,有了這些新型的機器人,“您無法將機器人與結構分離,它們可以作為一個系統協同工作。”例如,盡管大多數移動機器人都需要高度精確的導航系統來跟蹤其位置,但是新的組裝機器人只需要跟蹤它們相對于當前正在工作的稱為子像素的小型子單元的位置。機器人每次踏入下一個體素時,都會始終根據其當前站立的特定組件重新調整其位置感。

        潛在的愿景是,就像可以通過使用屏幕上的像素陣列來復制最復雜的圖像一樣,幾乎任何物理對象都可以作為較小的三維碎片或體素的陣列來重建,而這些三維碎片或體素可以自己制作簡單的支柱和節點。該團隊表明,可以布置這些簡單的組件來有效地分配負載。它們主要由開放空間組成,因此結構的總重量最小。可以通過簡單的組裝器將這些單元拾起并放置在彼此相鄰的位置,然后使用內置在每個體素中的閂鎖系統將其固定在一起。

        機器人本身就像一個小臂,中間有兩個長節,兩個長節鉸接在一起,每個末端都有用于夾持在體素結構上的設備。這些簡單的設備像蠕蟲一樣四處移動,通過反復打開和關閉其V形主體從一個移到另一個,沿著一排體素前進。Jenett稱其為小型機器人BILL-E(向電影機器人WALL-E致敬),它代表Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer。

        Jenett已構建了幾種版本的組裝器作為概念驗證設計,以及具有鎖定機制的相應體素設計,可以輕松地將每個組裝者與鄰居分離或組裝。他使用這些原型演示了將塊組裝為線性,二維和三維結構的過程。Jenett說:“我們并沒有在機器人中增加精度;精度來自結構”。“這不同于所有其他機器人。它只需要知道下一步是什么。”

        CBA負責人Gershenfeld說,在組裝零件時,每個微型機器人都可以算出其在結構上的臺階數。他說,除了導航之外,這還使機器人可以在每個步驟中糾正錯誤,從而消除了典型機器人系統的大部分復雜性。“它缺少大多數常用的控制系統,但只要不遺漏任何步驟,它就知道它在哪里。”對于實際的組裝應用,由于由Abdel-Rahman開發的控制軟件可以使大量機器人協同工作以加快流程,因此機器人可以協調工作并避免彼此干擾。

        這種使用簡單的機器人系統由相同子單元組裝大型結構的方法,就像孩子從樂高積木中組裝大型城堡一樣,已經引起了一些主要潛在用戶的興趣,包括美國宇航局,麻省理工學院的這項研究合作者以及歐洲航空航天公司空中客車公司(Airbus SE)也幫助贊助了這項研究。

        這種組裝的一個優點是可以通過與初始組裝相同的機器人工藝輕松地進行維修。損壞的部分可以從結構上拆卸下來,并用新的部分替換,從而產生與原始結構一樣堅固的結構。Gershenfeld說:“拆建與拆建同等重要。”隨著時間的流逝,該過程還可用于對系統進行修改或改進。

        珍妮特說:“對于空間站或月球棲息地,這些機器人將居住在結構上,不斷對其進行維護和修理。”

        蓋申菲爾德說,最終,這種系統可以用來建造整個建筑物,特別是在太空,月球或火星等困難環境中。這可以消除從地面一直運送大型預組裝結構的需要。取而代之的是,可以發送大批微小的子單元,也可以使用可以在最終目的地將這些子單元搖出來的系統,從本地材料中將其制成。格申菲爾德說:“如果您可以制造大型噴氣式飛機,那么您可以制造建筑物。”

        德國不倫瑞克工業大學操作系統和計算機網絡研究所所長桑德爾·費克特(Sandor Fekete)并未參與這項工作,他說:“諸如此類的超輕數字材料為構建高效,復雜的系統提供了令人驚奇的視角。大型結構,在航空航天應用中至關重要。”

        但是組裝這樣的系統是一個挑戰,費克特說,他計劃加入研究團隊以進一步開發控制系統。“這是使用小型和簡單的機器人有望帶來下一個突破的地方:機器人不會感到疲勞或無聊,而使用許多微型機器人似乎是完成這項關鍵任務的唯一方法。這項極其原始和巧妙的工作由Ben Jennet和合作者共同完成的工作,向可動態調節飛機機翼,巨大的太陽帆乃至可重構空間棲息地的建設邁出了一大步。”

        Gershenfeld說,在此過程中,“我們覺得自己正在探索混合材料機器人系統的新領域。”

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