清华女生研制会取玩具的“象鼻子”

来源:北京晚报 2014-12-23 张航

  不少人都见过大象,它最显著的特征就是有一只长长的鼻子。这只鼻子非常灵活,可以轻松地卷起一捆草料放进嘴里,也可以卷起游客让他们发出尖叫。夏日里蚊虫多,大象鼻子还能向后挥动,配合蒲扇般的大耳朵,驱赶蚊虫叮咬。

  近年来随着仿生学科的发展,越来越多科学家开始基于象鼻的功能开发各种机器人手臂。但这些“手”大多体积庞大且价格昂贵,难以走入寻常人家。来自清华大学的本科生杨韵芳,创新地设计出了“多自由度柔性仿象鼻机械臂”,它有弹性骨架、人工皮肤,可以柔性弯曲,体积、成本也大大降低。这只智能机械手臂今年在清华大学第32届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛中获得了特等奖,并已经申请了专利。或许在不久的将来,无论我们厨房烹饪还是居家清洁,“象鼻子”都会成为我们的好帮手。

创意缘起:想当“章鱼博士”长出“小胳膊”

  2012年,杨韵芳进入清华大学机械工程系就读。在城区面积最大的校园里念书,清华学生经常需要骑自行车奔波于宿舍、教室、实验室之间。课间时间短,更是匆忙。“有一阵课程密集,转教室时经常手忙脚乱,掉手机,掉课本。”杨韵芳笑道,当时自己心情不爽,就琢磨着要做一个“小胳膊”。

  装在肩膀上的“小胳膊”,这是电影《蜘蛛侠》里“章鱼博士”的形象。杨韵芳说自己就想有一套“章鱼博士”那样的设备,可以放在肩膀上帮自己拿手机、拿资料,“骑车接电话,我脑子一想,电话就通,多方便。”杨韵芳并不是天马行空的想象,她的导师一直在做机械手领域的研究。在学习中,杨韵芳早已对仿生机器人产生了浓厚的兴趣。

  2013年11月,清华大学第32届“挑战杯”竞赛启动报名。正读大二的她把自己的报名参赛想法和导师进行了交流,创意得到了导师的支持,“那天和老师聊了无数的想法,身上装四五个胳膊啦,可以拿各种东西和你对话啦,我还记得凌晨回寝室的兴奋,发状态胡言乱语说‘科学真奇妙’。”杨韵芳笑道。

创意设计:三根柔性杆组成“人工肌肉”

  完成了报名,杨韵芳就投入了研究。经过调查,她发现国外不少大公司已经研发出了类似“象鼻”那样的柔性机械臂,这些机械臂的灵活性、承载力还非常出色。但缺点也显而易见:一是体积很大,二是价格昂贵,“大多是应用在工厂生产,或者医院的手术室里,肯定不是我一个大学生能买得起的,即使买了也装不上肩膀,太沉。”她笑着说。

  她确立了自己的研发目标:首先结构要简单,这直接决定手臂的体积、重量;其次是成本要尽可能得低,因为是面向同学和普通家庭的。

  研制“象鼻子”,首先得有图纸,大一时杨韵芳学过用SolidWorks这种画图软件作图,但到了研发“象鼻子”时,她才意识到当初学的只是皮毛,从零开始想象一个东西,估计它大概的尺寸……“基本上就是从头学起。”

  杨韵芳说,她要设计的“象鼻子”完全不同于我们在一些工厂流水线上看到的机械手,“那些都是有关节的,一个个关节绕轴运动,驱动机械手工作,我要做的‘象鼻’机械手是能做连续平滑运动的。”

  通过反复测试,她想到了用带有螺纹的柔性杆,“三根柔性杆套在一个弹性骨架内,组成一个稳定的立体结构,当其中一根柔性杆在电机驱动下,纵向距离发生变化时,整个立体结构的稳定方向也会随之发生变化,‘手臂’就弯曲了。”杨韵芳把这些带有螺纹的柔性杆称为“人工肌肉”。

实际制造:“气质美女”拿起焊枪接电路

  杨韵芳说,设计是第一个考验,第一个月几乎每两天换一个方案。之后就是制造原理样机。她还记得第一个模型做出来的时候,自己拿着个螺丝刀拧着螺钉,兴奋地看着一根杆发生了一点弯曲,一个学长惊讶地说:“这是什么?啊?这是你参加挑战杯的胳膊?”

  学长的质疑让杨韵芳有些“受伤”,但是她并没有气馁,不断寻找更加合适的材料,最终确定用柔性杆做“人工肌肉”。而做弹性骨架她采用了3D打印技术。虽然单单一个弹性骨骼“小盘”就得花20分钟时间,但这些骨骼的质量很小,符合产品轻量化的要求。”

  一只手臂,除了骨头、肌肉,当然还得有皮肤,杨韵芳跑遍了校内外的五金店,终于找到了一种名为“嵌簧丝波纹管”的材料来做“人造皮肤”。说起这种材料,杨韵芳笑着说,有点像抽油烟机的排烟管所用的材料。

  杨韵芳给这只“象鼻子”起名为“ET臂”。在克服了一系列挑战之后,这位同学们眼中的“气质美女”操起焊枪,像“汉子”那样开始焊接电路,收获了一手的烫伤戳伤之后,她在一周内完成了几乎不可能的任务,给“ET臂”装六个传感器、摄像头和手爪。除了课堂、食堂、宿舍,就是在实验室,一熬夜就是到凌晨三点。

创意展示:自由“象鼻子”为小朋友发奖

  经过半年左右的研发,今年4月,杨韵芳的灵巧“象鼻子”终于诞生了。这只“鼻子”一共有两节,长约80厘米。每一节由7至8个弹性骨骼组件构成。“鼻子”底下是提供动力的电机。

  杨韵芳说,“ET臂”工作原理是,柔性杆两端通过联轴器分别连接电机和螺母板。柔性杆上套有若干中间件。电机驱动时,柔性杆随之自转,经过一系列力量传递,实现肌肉收缩。

  根据这个原理,整个ET臂采用多台电机驱动,能够向多个方向弯曲,可以做出S、C等各种空间形状,能使得末端工具顺利抵达指定空间位置,同时自重轻、结构紧凑、成本低。“我没测过具体重量,但我一个人移动整套设备完全没问题。”她说。

  获得“挑战杯”特等奖后,杨韵芳的“ET手臂”和其他同学的作品一起在清华大学游泳馆南广场展出。这是一个类似嘉年华的活动,校内外人士都可以看到学生们的创意设想。杨韵芳的“象鼻子”承担起了发奖品的重要任务。一些小朋友在参加互动体验区的活动后,来到“象鼻子”前,这只机械手非常灵巧地从高处抓取一个毛绒玩具,送到小朋友的手里。不少人开心地大笑,要跟“大象鼻子”合影。

  “当时我给手臂的顶端装了一个抓手,便于抓取玩具,我跟大家说,等以后这个手臂再长一点,它最大的魅力是不需要任何抓手,直接用手臂本身来抓东西,就跟大象鼻子一模一样。”杨韵芳说。

未来规划:已申两项专利还将继续完善

  杨韵芳说,目前“ET臂”已经申请了两项专利。在她看来,大二开始的这次科研活动彻底改变了自己的大学生活和她对世界的认识。申请专利、做样机、参加挑战杯、发表国际论文……一系列的探究让她不断调动自己学习的主动性,既培养了兴趣,又更好地消化吸收了课内的知识。“积累了许多工程知识,掌握了各种加工和设计技能,也培养了在黑暗中独自前行的毅力,能够主动地发现问题,再创造性地提出解决办法。科研这条路,我愿意走得更加长远,既为自己成才,也为未来世界的进步与幸福。”

  对于“ET臂”,杨韵芳说仍在不断地改进完善,尤其是在智能控制和电路设计方面,这只“象鼻子”仍然有不少需要提高的地方。

  “我感觉靠我一个人的力量有些力不从心了,需要有这方面的高手加入进来,一起完善它。让它真正成为市民生活的好帮手。” 她说,自己本科毕业后还会继续深造,目前的初步打算是一直读到博士,她要努力做一个踏实谦逊的工程师。

 

2014年12月24日 13:56:14  清华新闻网

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