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原标题:【彩世界】痴迷机械,这个南京姑娘发明的软体

浏览次数:187 时间:2020-05-15

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双十一就要到了,相信物流行业又要面临巨大的包装、运输、配送压力了。记者近日了解到,25岁的南京姑娘陶玮佳研发了一款叫做软体机器人手的机械抓手,该机械抓手可以帮助在仓库中捡拾和包装小物品。这项发明赢得了美国伍斯特理工学院卡列尼安奖第一名,陶玮佳因此获得10000美元的奖励。最近,这项发明已经通过美国专利商标局的专利申请。

在一项发表于《科学—机器人》的研究中,康奈尔大学的研究团队设计出一种可以通过“排汗”实现降温的软体机械抓手。

随着科技的进步,机械臂之外已经发展出很多其他形态的机器人产品,在传感器、计算能力、规划和控制、人机交互、人工智能等方面有了长足进步。

可以抓鸡蛋的“抓手”,发明过程困难重重

每只机械抓手包含3只可以同步弯曲、实现对物体抓握的“手指”。这些“手指”由水凝胶3D打印制成,储存了大量的水。手指的衬底中有通道,允许液体流动;表层则含有一些小孔。气温较低时,气孔关闭;温度达到30℃时,表层水凝胶膨胀,气孔也随之扩张,实现“排汗”降温。其降温效率为每千克107瓦,比哺乳动物高。这项技术,可以帮助长时间工作的机器人散热、避免过热。

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彩世界,南京姑娘陶玮佳是美国伍斯特理工学院机器人工程系的一名毕业生。11月1日,远在美国的陶玮佳告诉记者,这是一种柔软的机器人手,可以将其放在现有的机器人手臂上,并用于从仓库货架上取货和包装产品。

仿人机器人的研究和应用成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一,其中机器人手臂是仿人机器人系统中最具代表性的复杂部件,是仿人机器人完成抓取作业和与人机交互的基础,仿人机器人配备双臂,因此其结构设计的紧凑性、通用性和灵活性是实现手臂智能控的首要因素,同时机械臂的运动灵活性、安全性、平稳性和整体刚度是一个急需解决的问题。评价机器人运动灵活性的关键是机器人肩关节、肘关节等多自由度运动机构设计,现有的机器人手臂存在关节结构臃肿、自身重量大、负重比低和刚度差等问题。

水果、蛋糕、鸡蛋、肥皂盒、罐头、乐高积木……各式各样的物品,通过软体机器人的“手”,就能轻易地将物体包裹住,再运送到指定的位置。现代快报记者看到,这个软体机器人构造并不复杂,一个十字交叉的底座,通过几根钢管灵活驱动,钢管连接的抓手,有四根硅胶“手指”,看上去像章鱼的触须,非常灵活。

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2016年,陶玮佳在伍斯特理工学院就读研究生期间,开始萌发研究软体抓手的想法。“上大学的时候,就一直在教授的实验室帮忙,跟着做了很多项目。在工业上,如果想抓取一个东西,那就得为它的形状去匹配一个对应的工具。”陶玮佳说,她和机械工程学助理教授卡格达斯·奥纳尔想发明一个软体的抓手,由抓手去适应物体,而不是让物体去匹配特定的抓手。

工业机械臂目前市场非常成熟,主要应用在车间焊接、组装、喷涂、抛磨、搬运等生产线上,精度高、负载大、速度快

想法有了,但操作并没那么容易,软体抓手真正成型花了将近一年半的时间。陶玮佳说,在这过程中,团队也遇到了很多困难。一开始,他们想做的是利用液压驱动手爪去抓取水里的物体。“液压是一些工业机械比较常用的方式,但是有很多的问题,比如操作的时候要带上液压罐,不仅很麻烦,还有漏液等风险。”

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之后,陶玮佳想到用电机的方式来进行驱动,让液压机器人抓手更新换代变成了电机机器人抓手。“不过使用电机也又产生了一个新问题,怎么用电机驱动绳子,让抓手能完美地抓取物体,需要在内部结构和外部连接上做很多设计。”

一个自主机器人将使用某种计算机视觉系统来指导它对其环境中的物体的操作。这样的系统可以提供关于一个物体位置的非常可靠的信息,直到机器人拿起物体。特别是当物体很小的时候,大部分会被机器人的抓手遮挡住,使得位置判断更加困难。因此,确切地说,机器人需要准确地了解物体的位置,否则它的判断会变得不可靠。

陶玮佳还提到,一开始设计出来的时候,其实抓手跟她所想象的也不同。“我的预想是,抓手像人的手一样,能灵活的抓取物体。但一开始抓手抓取物体时,容易因为过度紧绷,导致手指方向扭曲。经过教授的指导,多次的改良后,软体抓手最终诞生。”

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发明参加学校竞赛,一举拿下一等奖

人类手臂的作用是将手移动到不同的位置。类似地,机器臂的作用则是移动末端执行器。您可以在机器臂上安装适用于特定应用场景的各种末端执行器。有一种常见的末端执行器能抓握并移动不同的物品,它是人手的简化版本。

陶玮佳所在的伍斯特理工学院每年都会进行卡列尼安奖竞赛。这个竞赛设立于2006年,是 alba kalenian为纪念已故丈夫、发明家 aram kalenian 而设立的竞赛,旨在支持创新思想或开发商业产品。

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2017年,陶玮佳和教授带着软体抓手参加了竞赛。一开始,陶玮佳根本没想到自己能拿奖,入围竞赛就让她很开心了。“学校有非常多的实验室,各种项目都会去申报,我竟然拿了一等奖,这让我很受鼓励。”

机器手往往有内置的压力传感器,用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末端执行器还包括喷灯、钻头和喷漆器。工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。

“我们的软体抓手可以抓住包裹手指的任何东西,例如纸巾盒或其他在仓库中捡拾或包装的物品。它还可以执行需要具有良好运动技能的任务,例如将各个甜甜圈包装到盒子中,可以抓住鸡蛋而不会压碎它。”

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陶玮佳告诉记者,她把获得的奖金用于组件上,继续开发机械抓手,尝试不同的迭代。“这是我们的第一个原型,我希望能让这个机械抓手更适应其他机器人手臂,并能够将其出售给小型企业和仓库,查看其如何执行不同的任务。”

机械手臂,主要是指串联式结构的关节机器人,自由度相对于五轴机器人低很多,末端输出轴运动范围,主要局限在一个平面内。用此种设备持工具进行抓取或者打磨,适用于批量大,结构简单的工件。

陶玮佳希望能够设计出不同尺寸的“抓手”,允许针对自定义任务使用自定义手柄。“就未来潜力而言,通过使用机械手在移动机械臂的帮助下采摘和包装水果,农业可以从中受益。”她说,机械手可以使人们免于在装配线上进行重复性工作,因此他们可以做更多的“创造性”工作,例如编程,培训和维护机器人。

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近期,陶玮佳收到美国专利商标局的通知。机械抓手的专利已经获批,目前,这项发明已经在商业化的进程当中,并且已经有企业购买。

机器人都是试图通过将物体放在平整的表面上,然后轻轻戳一下物体,来评估物体的硬度。但这不是人类衡量硬度的主要方式,我们判断的时候是基于按下物体和手指之间的接触区域。一般来说,较软的物体容易变平,增加与手指的接触面积。

从小痴迷机械,立志创新机器人技术

谈起在机器人技术上的创新,陶玮佳打趣自己从小就像一个男生一样,特别迷恋机械,对于各种电器都充满了好奇,想知道它们是怎么运作的。

陶玮佳的父亲陶先生介绍,女儿从小兴趣爱好就和同龄的女孩子有些不同,就爱玩男孩子们爱玩的机器人,琢磨各种机械的东西。“不过我们都非常支持她的兴趣爱好,并没有扼杀、制止,而是让她自己去发展。我们一直很支持她的决定。”

高中时,在南京外国语学校就读的陶玮佳,加入了学校的乐高机器人兴趣小组。他们的项目在全国比赛中名列前茅。那时候开始,有了些“技术”的陶玮佳开始对家里的电器“下手”了,拆拆装装都是家常便饭。“收音机坏了就拆了,看看里头是什么样子,电路、电机是应该怎么运行的,没想到也就修好了。”

目前,陶玮佳在美国的一家创业公司工作,研究更智能的机器人解决方案。对于未来的计划,她希望能够继续读博士深造,在机器人软体领域进行更深入的研究。“机器人并不是在代替人工,而是在提高生产线的效率,而提高效率会使更多的人受益。在我心里,这是非常有意义的事。我希望能一直从事下去。

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