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Give me a hand! 穿戴式模組化機械手臂可成為作業人員的第三隻手

卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University;CMU)仿生機器人實驗室(Biorobotics Lab)的研究團隊基於機器蛇(snake robot)的模組化(modular)機器節段(robotic segment),開發穿戴式的附加機械手臂,對於原本單人雙手不易處理的作業將可額外助其一(或多)臂之力。

根據TechCrunch報導,2017年CMU仿生機器人實驗室開發機器蛇,原本是為狹小空間的搜救任務與基礎設施檢驗而設計,後來模組化以各種機器節段組成,工程人員可依需求搭配混用不同功能的節段,或以不同的製造節段互相取代。這些彈性帶動一系列不同應用的發展計畫,如類蜘蛛的六足機器人(hexapod robot),並催生至少一家匹茲堡地區的新創公司。

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類似後背包的穿戴式附加機器手臂能助作業人員一臂之力。CMU

CMU仿生機器人實驗室的學生團隊運用機器節段自主進行各種應用計劃,基於HEBI Robotics機器致動器(robotic actuator)模組的機器節段硬體功能強大,可重新配置組成各式不同形狀,並提供完整開發環境支援快速編程以提供新功能,有助於激發新的研究方向與促進研發成果商業化。

協作機器人(cobot)較傳統機器人更小型與輕量,且能提升與人類協作時的安全性。模組化機器人透過1組可重配置的硬體而具備適應各種工作的能力,可加速客製化機器人的發展且較傳統機器人更具成本優勢。不過即使計算能力、工程經驗、直覺皆齊備,目前仍不易快速配置模組化機器人並為目標作業編程。

CMU仿生機器人實驗室致力於自動整合模組化機器手臂的設計與控制器,發展機器人設計與編程的演算法,確保模組化的協作機器人能近距離與人類協作,執行如輔助餵食(assistive feeding)與協作製造(collaborative manufacturing)等工作,例如博士生Julian Whitman開發穿戴式附加肢體的原型裝置,能在使用者處理雙手不易應付的複雜作業時提供協助。

由機器節段模組構成的機器手臂連接至配備控制與動力組件且類似後背包的支撐結構,而非採外骨骼(exoskeleton)方式,使用者透過遊戲控制器以按鈕或語音指令操控機器手臂,非常適合在頭頂上方的作業空間助使用者一臂之力,例如汽車或飛機組裝作業常要將某些零部件舉高鎖定在頭頂上方位置,便可用機器手臂將零部件就定位,由工作人員進行鎖定。

Julian Whitman的附加機器手臂其終端效應器(end effector)為橡膠包覆、具備壓縮彈簧鉸鍊的金屬平板。未來後背包的支撐結構或可擴充更多附加機器手臂,端視使用者的負重能力與限定時間內能控制機器手臂的極限,畢竟超過某個數量後不僅控制困難且實用性下降,不過附加機器手臂若能提高自主性,並具備專屬的感知力與決策程序,功能將更強大。

HEBI Robotics的串聯式彈性(series-elastic)致動器模組採用標準化硬體並內建安控機制,具備可同時控制位置、速度、轉矩(torque)的感測器與三軸慣性測量(inertial measurement)元件,精簡的封裝整合了無刷馬達、控制電子單元、編碼器(encoder)、標準10/100Mbps乙太網路、齒輪組(geartrain)、彈簧,可由18~48V的DC電源提供動力。

HEBI Robotics的致動器為全功能機器部件模組而非僅是伺服馬達(servo motor),啟動時無需校正或歸位即可持續運轉輸出,並提供穿孔(thru-bore)以利菊鏈串接(daisy-chaining)與配線,讓工程師、產業整合者、研究人員可快速而容易的配置,廣泛應用於建構輪行式機器人(wheeled robot)、多自由度協作機器手臂等適合不同用途的客製化機器人。

HEBI Robotics的致動器採用免費的ChibiOS,提供包括即時作業系統(RTOS)、硬體抽象層(HAL)、周邊驅動程式、支援檔案與工具,並整合外部的開源元件以提供完整的崁入式裝置與應用開發環境解決方案。HEBI Robotics可提供客戶致動器的獨立模組或是預先組裝且配置好的套件。

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