软辅助可穿戴机器人得益于快速设计工具

柔软的气动执行器可能不会出现在日常对话中，但更有可能的是，你可能会受益于它们的实用性。这些设备使用压缩空气为运动提供动力，并具有传感功能，它们已被证明是各种应用的关键支柱，如辅助可穿戴设备、机器人技术和康复技术。

但在创造具有高响应率和功率输入比等优势的小型动态设备方面存在一些瓶颈。它们需要手动设计和制造流程，这意味着需要进行大量的试验和错误循环，以实际测试并查看设计是否有效。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的科学家们设计了一种可伸缩的管道，用于计算设计和数字化制造软气动执行器，称为“pneumact”。

集成传感的可穿戴辅助机器人。提供:麻省理工学院CSAIL

PneuAct使用机器编织过程——与你奶奶的塑料针编织没什么不同——但这台机器是自主操作的。设计师只需在软件中指定针迹和传感器设计模式，就可以对驱动器的移动方式进行编程，然后在打印前进行模拟。织物块由针织机制造，可以固定在一个便宜的，现成的橡胶硅胶管上完成执行器。

针织执行器集成了导电纱线进行传感，使执行器能够“感觉”到它们所接触到的东西。该团队制作了几个原型，包括辅助手套、柔软的手、交互式机器人和气动行走的四足动物。他们的设备被一种柔软的黄色面料包裹着，看起来有点像香蕉手指。

虽然多年来在软气动执行器的硬件开发方面有了很多进展- a2019的原型一个协作机器人使用这样的执行器在手中重现类似人类的握力——设计工具的改进速度还没有那么快。旧的工艺通常使用聚合物和成型，但科学家们使用了弹性和传感针脚的组合(与导电纱线)，允许在设备充气时编程弯曲，并能够结合现实世界的反馈。

例如，该团队使用执行器制造了一个机器人，当它被人类的手触摸时，它会感知，并对这种触摸做出反应。

该团队的手套可以由人类佩戴，以补充手指肌肉的运动，最大限度地减少完成任务和运动所需的肌肉活动量。这对于那些受伤、行动不便或手指受到其他创伤的人来说有很大的潜力。该方法还可用于制造外骨骼(由计算机控制的可穿戴机器人单元，补充人体运动并恢复运动和运动);为此，研究人员制作了一种可以帮助穿戴者弯曲肘部、膝盖或其他身体部位的袖子。

麻省理工学院CSAIL博士生、一篇关于这项研究的新论文的主要作者Luo Yiyue说:“在当今纺织工业中，数字机器针织是一种非常常见的制造方法，可以一次性‘打印’设计，这使其更具可扩展性。”“软气动执行器本质上具有柔韧性和灵活性，并与智能材料相结合，它们已成为许多机器人和辅助技术的必要力量——通过我们的设计工具，快速制造有望提高易用性和普及性。”

理解传感器

该团队采用的一种传感被称为“电阻式压力传感”，执行器在其中“发送”压力。在制造机械手时，它会尝试抓取某物，压力传感器会感知施加在物体上的力有多大，然后它会尝试查看抓取是否成功。另一种类型是“电容式传感”，传感器识别驱动器正在接触的材料的一些信息。

驱动器是坚固的-没有纱线损坏的过程中。该系统的一个限制是，它们仅限于管状驱动器，因为很容易从货架上买到它们。合乎逻辑的下一步是探索不同形状的执行器，以避免受到单一结构的限制。科学家们将探索的另一个扩展是将工具扩展到一个任务驱动的、基于优化的设计，用户可以指定目标姿势和可自动合成的最佳针脚图案。

“我们的软件工具快速，易于使用，可以准确地预览用户的设计，允许他们快速迭代，而只需要制造一次。但这一过程仍然需要人类进行一些试错。计算机能否推理出纺织品应该如何在驱动器中进行物理编程，以允许丰富的传感驱动行为?这是下一个前沿，”哈佛大学材料科学和机械工程博士后安德鲁·斯皮尔伯格(Andrew Spielberg)说，他是这篇论文的另一位作者。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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