3D印刷机器人“大象树干”是由机器学习引导的

研究人员从大自然中获得灵感,设计了一种低成本的机械臂,可以模仿大象鼻子的力量和灵活性。

图片来源:Villiers Steyn/Shutterstock.com

就设计而言,大象的鼻子是进化最重要的胜利之一。它的附属物——鼻子和上嘴唇的延伸部分——既强壮又灵活,其灵巧程度甚至是人类手臂所无法比拟的。

事实上,大象的鼻子有40000块肌肉,比人类整个身体的肌肉要多得多。

这没什么奇迹,那么大象的行李箱不仅仅使得生物成为野生动物最热爱的生物之一,但它也被机器人设备的设计师羡慕的眼睛。特别是那些旨在抓住和操纵物体的人。

来自Tübingen大学和格拉茨科技大学的一个科学家团队就是这样一个团队。他们设计了一种低成本、模块化的机械臂,可以模仿大象鼻子的运动。

这种手臂可以3D打印出来,顶端有一个爪子,就像大象的鼻子上有一个灵巧而敏感的“手指”一样。包括Tübingen大学认知建模组博士后研究员塞巴斯蒂安·奥特(Sebastian Otte)博士在内的研究人员将他们的设计打印出来作为低成本的概念证明。

“我们建造了两种不同的主干机器人,这不仅可以使用标准台式3D打印机生产,而且每台机器人的总材料成本低于500欧元,它们也使用SNNS控制,”团队说他们的研究论文。

有了这个原型,他们进行了一系列的测试,包括抓住弹珠,把它们捡起来,轻轻地把它们放在讲台上。他们认为,该手臂在这些棘手的演示中取得的成功,加上它的生产是可扩展的,未来可能在工业生产线、零部件运输,甚至是组装电子产品的精细任务中发挥作用。

该团队的研究详细在论文“多关节机器人手臂控制与递归峰值神经网络”中

模块化设计的长短

让团队的机器臂具有象鼻子那样的灵活性的关键在于该设备独特的模块化设计。

该团队创建了一组可堆叠的关节部件,每个部件都有三个可能的运动方向,或自由度。然后,他们用十个这样的单个单元制作了原型设计。

每个单元内的电动机能够一次引导齿轮以在两个轴上倾斜段的段倾斜。这导致令人印象深刻的运动范围,团队称,使用它们的模块完成的机器人可以增加大小,以包括多达20个单位。

当然,屈曲和弯曲不是大象行李箱可用的唯一动作类型。由于它们内部的肌肉的作用,这些动物也可以缩短并延长其横须带。

这是团队的机器人可以模仿的后备箱的另一个财产。

虽然具有如此令人印象深刻的灵活性的机器人手臂肯定是一个优势,但是控制具有高水平的运动自由度的装置是没有小的任务。

幸运的是,该团队能够应用机器学习原理来解决这一重大挑战。

控制大象鼻子的神经网络

为了控制象鼻子一样的机器人手臂,并跟踪它令人生畏的移动范围,研究小组转向了一种与大脑活动过程非常相似的人工神经网络。这些所谓的“尖峰神经网络”(snn)不仅可以整合神经元和突触状态,还可以将时间因素纳入计算。

该团队拿走了他们的SNN,并遵守一系列运动。SNN将这些动作映射到电机动作和相应的机器人位置。此培训程序导致了一系列模型,然后可以应用于“真实世界”导航,从而执行具有令人印象深刻的精度的特定任务。

“我们不仅展示了用基本的3d打印设备制造低成本的类似躯干的机械臂是可能的,我们还展示了如何使用最新的周期性峰值神经网络架构来控制它们,”论文的作者说。伟德备用网址“我们的方法允许这些机器人精确的目标-方向控制,公差接近毫米,它能够处理非常复杂的机器人手臂多达75个铰接自由度。”

对于未来的发展,该团队表示,机器人手臂的下一步正在寻求直接映射SNN上的电机命令,而无需培训。他们还表达了包含基于雷达的距离传感器的希望,该距离传感器可以帮助机器人臂避免碰撞。

“这也可以让机器人用于软机器人应用,他们可以与人类在一起的互利互动,”作者说。

该团队还表达了利用他们在模仿动物王国的其他成员以进行潜在救生用途的兴趣。“另一个有趣的研究路径将是将这种方法集成到蛇形机器人而不是固定机器人手臂,在那里他们可以在搜索和救援行动中使用。”

参考资料及进一步阅读

¹特劳布。Legenstein M。Otte R。S,[2021],“基于循环峰值神经网络的多关节机器人手臂控制”,[https://arxiv.org/pdf/2104.04064.pdf]

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罗伯特。李

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罗伯特。李

罗伯特是一个带有茎BSC的自由职业者科学记者。他专门从事物理,空间,天文学,天文人物,量子物理和SCICOMM。Robert是一名ABSW成员,AWCSJ 2019和IOP研究员。

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    罗伯特。李(2021年4月21日)。3D打印机器人“大象的鼻子”是由机器学习指导。AZoRobotics。2021年5月5日从//www.infoc8.com/News.aspx?newsID=12189取回。

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    罗伯特。李“由机器学习引导的3D打印机器人‘大象鼻子’”。氮毒素。2021年5月05。< //www.infoc8.com/News.aspx?newsID=12189 >。

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    罗伯特。李“由机器学习引导的3D打印机器人‘大象鼻子’”。AZoRobotics。//www.infoc8.com/News.aspx?newsID=12189。(访问2021年5月5日)

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    罗伯特。李2021。3D印刷机器人“大象树干”是由机器学习引导的。奥兹罗obotics,查看了05年5月2021年5月,//www.infoc8.com/news.aspx?newsid = 12189。

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