可重新定位關節的無線內部平面蛇形機器人

Kernekoncepter

本文介紹了一種新型的欠驅動蛇形機器人，它具有可重新定位的關節和無線供電的軟性外殼，能夠實現類似多關節機器人的運動，同時保持輕量化和低功耗的設計。

Resumé

可重新定位關節的無線內部平面蛇形機器人

本研究旨在開發一種新型蛇形機器人，解決傳統多關節蛇形機器人存在的笨重和高功耗問題，並探索一種基於欠驅動機制的輕量化、節能型蛇形機器人設計方案。

可重新定位關節機制： 捨棄傳統固定關節耦合結構，採用可沿內部柔性齒條移動的電機驅動關節單元，動態改變關節耦合配置，實現多關節彎曲運動。
無線充電軟性外殼： 機器人頂部安裝無線充電線圈，為內部關節單元供電，避免電線纏繞和斷裂風險，實現持續無線運行。
變長度弧形關節模型： 將機器人建模為一系列變長度圓弧，通過電機旋轉控制每段弧的長度和角度，模擬蛇形運動。
兩種運動控制策略： 基於變長度弧形關節模型，實現了適用於無障礙狹窄地形的無關節定位蛇形運動和適用於障礙物豐富環境的基於關節定位的障礙物輔助運動。

Vigtigste indsigter udtrukket fra

Joint-repositionable Inner-wireless Planar Snake Robot

by Ayato Kanada... kl. arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13916.pdf

Dybere Forespørgsler

除了探索、救援和檢查之外，這種新型蛇形機器人還能應用於哪些其他領域？

除了探索、救援和檢查這些蛇形機器人擅長的領域外，這種新型機器人由於其低功耗、輕量化和無線充電的特性，還能在以下領域發揮作用：

醫療保健：

微創手術： 機器人可以通過狹窄的通道進入人體，輔助醫生進行精確的手術操作，減少手術創傷和恢復時間。
內窺鏡檢查： 機器人可以靈活地在人體內部移動，提供更清晰、全面的檢查影像，提高診斷的準確性。
靶向藥物遞送： 機器人可以攜帶藥物，精確到達病灶部位，實現局部給藥，提高治療效果並減少副作用。

工業維護：

管道檢測和維修： 機器人可以進入複雜的管道系統，檢查管道內部狀況，並進行簡單的維修工作，例如清除堵塞物或修復裂縫。
設備檢測： 機器人可以進入狹小空間，例如飛機發動機或大型機械內部，進行非破壞性檢測，及早發現潛在問題。

農業：

作物監測： 機器人可以在田間穿梭，收集作物的生長數據，例如高度、葉面積和果實大小，幫助農民優化種植管理。
精準噴灑： 機器人可以根據作物的實際需求，精準噴灑農藥或肥料，減少農藥使用量和環境污染。

危險環境作業：

災難搜救： 機器人可以在地震、坍塌等災害現場，進入狹窄的縫隙，搜尋和救援被困人員。
核電站檢測和維護： 機器人可以在高輻射環境下工作，代替人類執行檢測和維修任務，保障人員安全。

總之，這種新型蛇形機器人具有廣泛的應用前景，未來將在更多領域發揮重要作用。

如果機器人在運動過程中遇到無法通過無線充電克服的能量損耗情況，該如何應對？

儘管無線充電為蛇形機器人提供了持續運作的可能性，但在某些情況下，能量損耗可能超過無線充電所能提供的功率。以下是一些應對方案：

混合動力系統：

小型電池與無線充電結合： 機器人可以搭載小型電池，作為無線充電的補充。在無線充電充足時，電池可以儲存能量；當能量消耗過大時，電池可以提供額外的電力。
能量收集技術： 探索利用環境中的能量，例如太陽能、熱能或機械能，為機器人提供額外的電力。

優化能量效率：

低功耗電機和驅動器： 採用更高效的電機和驅動器，降低機器人的整體功耗。
優化運動控制算法： 設計更節能的運動控制算法，減少機器人在運動過程中的能量損耗。
輕量化設計： 進一步優化機器人的結構設計，減輕重量，降低運動所需的能量。

任務規劃和路徑規劃：

預先規劃能量消耗： 在執行任務前，預先規劃好機器人的運動路徑，盡量選擇能量消耗較小的路徑，並預留充足的充電時間。
動態調整任務策略： 根據機器人的實時電量情況，動態調整任務策略，例如降低運動速度或暫停部分任務，以延長機器人的工作時間。

其他應急措施：

緊急斷電保護： 當機器人電量過低時，啟動緊急斷電保護機制，避免電池過度放電，損壞電池。
遠程操控和救援： 為機器人配備遠程操控功能，以便在電量不足時，可以遠程操控機器人返回充電區域或進行救援。

通過結合以上策略，可以有效應對機器人在運動過程中遇到的能量損耗問題，提高機器人的可靠性和續航能力。

如何將這種蛇形機器人的設計理念應用於其他類型的機器人或機械系統中？

這種蛇形機器人的設計理念，特別是「關節可重定位」和「無線充電」的概念，可以應用於其他類型的機器人和機械系統，以提升其性能和功能：

模組化機器人：

可重構機器人： 借鑒「關節可重定位」的概念，可以設計出由多個模組化單元組成的機器人，這些單元可以根據任務需求重新組合和配置，實現不同的功能，例如從蛇形變形為多足機器人，適應不同的地形和任務。
自重構機器人： 更進一步，可以開發能夠自主改變自身形態的機器人，例如在狹窄通道中自動分解成更小的單元，通過後再重新組合。

可穿戴設備：

輔助外骨骼： 將「關節可重定位」的概念應用於外骨骼設計，可以讓外骨骼根據使用者的動作意圖，動態調整關節的剛度和阻尼，提供更自然、舒適的輔助效果。
無線充電的可穿戴設備： 利用「無線充電」技術，可以開發出无需外接電源線的可穿戴設備，例如智能手錶、健身追蹤器和醫療監測設備，提高使用者的舒適度和便利性。

微型機器人：

醫療微型機器人： 將「無線充電」和「微型化」技術相結合，可以開發出可以在人體內部移動和工作的微型機器人，例如靶向藥物遞送機器人、微創手術機器人等。
集群機器人： 利用「無線充電」技術，可以為大量的微型機器人提供能量，讓它們在沒有外部電源線的限制下，協同完成複雜的任務，例如環境監測、搜索和救援等。

軟体機器人：

可變形機器人： 結合「關節可重定位」和「軟体材料」，可以設計出能夠根據環境變化而改變自身形狀的機器人，例如可以擠壓通過狹窄縫隙，或包裹住物體進行抓取。
生物醫學應用： 軟体機器人結合「無線充電」技術，可以應用於生物醫學領域，例如開發出可以在人體內部進行檢查和治療的微型機器人，或用於輔助康復訓練的柔性外骨骼。

總之，這種蛇形機器人的設計理念為機器人和機械系統的設計提供了新的思路，未來將會激發更多創新應用。