螺旋形機器人 SpiRobs：跨尺度的多功能抓取

Centrala begrepp

本文提出了一種新型的柔性機器人 SpiRobs，其形態模仿自然界中的對數螺旋形肢體，實現了跨尺度的多功能抓取能力。

Sammanfattning

本文提出了一種新型的柔性機器人 SpiRobs，其設計靈感來自自然界中的對數螺旋形肢體，如章魚觸手和大象鼻子等。SpiRobs 的設計包括以下幾個關鍵點：

1. 幾何設計：通過離散化對數螺旋曲線並展開成圓錐形，可以實現簡單高效的製造過程。機器人的幾何形狀和運動學特性由螺旋參數完全決定，可以輕鬆實現跨尺度設計。

2. 抓取策略：模仿章魚的抓取方式，通過兩根或三根電纜的協同控制，使機器人能夠自適應地包裹和抓取各種形狀大小的物體。這種策略無需複雜的感知和規劃，只需簡單的電流檢測即可實現。

3. 擴展性：作者展示了三種不同尺度的 SpiRobs 原型，包括毫米級的微型抓手、米級的操作臂和多臂協作抓取系統。這些原型展示了 SpiRobs 在生物樣本操作、遙控飛行器抓取以及複雜物體抓取等方面的應用潛力。

總的來說，SpiRobs 的設計巧妙地結合了自然啟發和工程實現，實現了跨尺度的柔性抓取能力，為未來的柔性機器人應用提供了新的思路。

Statistik

最小可抓取物體直徑為5.6 mm，最大可抓取重量為10 kg。
機器人自重為38.4 g，可抓取重量為自重的260倍。
機器人臂長可達1米，可實現動態抓取。
6臂協作抓取系統的成功抓取率超過90%。

Citat

"SpiRobs 的設計巧妙地結合了自然啟發和工程實現，實現了跨尺度的柔性抓取能力，為未來的柔性機器人應用提供了新的思路。"
"通過兩根或三根電纜的協同控制，使機器人能夠自適應地包裹和抓取各種形狀大小的物體。這種策略無需複雜的感知和規劃，只需簡單的電流檢測即可實現。"

Viktiga insikter från

SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales

by Zhanchi Wang... på arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2303.09861.pdf

Djupare frågor

如何進一步提高 SpiRobs 的抓取穩定性和負載能力？

要進一步提高 SpiRobs 的抓取穩定性和負載能力，可以考慮以下幾個方面：

增強材料選擇：使用更高強度和更輕的材料來製造 SpiRobs，例如碳纖維或高性能聚合物，這樣可以在保持靈活性的同時提高機器人的承載能力。

優化設計參數：調整機器人的 taper 角度和單位的幾何形狀，以增強其抓取範圍和穩定性。較小的 taper 角度可以擴大抓取空間，而較大的 taper 角度則可以提高負載能力。

改進抓取策略：引入更複雜的控制算法，利用機器學習技術來優化抓取過程，根據不同物體的形狀和重量自動調整抓取策略，從而提高抓取的穩定性。

增加接觸面積：設計 SpiRobs 的表面結構，使其能夠更好地適應不同物體的形狀，增加與物體的接觸面積，從而提高抓取的穩定性和負載能力。

多臂協同作業：利用多個 SpiRobs 組成的陣列進行協同抓取，這樣可以在抓取大型或不規則物體時提供更好的穩定性和負載能力。

如何將 SpiRobs 的設計思想應用於其他類型的柔性機器人，如仿生機器人或軟體機器人？

SpiRobs 的設計思想可以在多個方面應用於其他類型的柔性機器人，具體包括：

形狀和運動的生物啟發：借鑒 SpiRobs 的螺旋形狀設計，其他柔性機器人可以模仿自然界中動物的運動方式，例如章魚的觸手或大象的鼻子，從而實現更靈活的操作。

多尺度設計：SpiRobs 的設計原則強調了在不同尺度下的可擴展性，這一理念可以應用於設計小型仿生機器人，從而在微觀環境中進行操作，如在生物醫學領域中抓取細胞或組織樣本。

簡化控制系統：SpiRobs 的控制策略基於簡單的電纜拉伸，可以啟發其他柔性機器人採用類似的簡化控制方法，減少對複雜傳感器和高頻反饋的依賴，從而降低成本和設計複雜性。

適應性抓取：SpiRobs 的抓取策略強調了對物體形狀的自適應能力，這一特性可以應用於其他柔性機器人，使其能夠在不確定的環境中進行有效的物體抓取和操作。

SpiRobs 的設計是否可以啟發我們重新思考自然界中其他螺旋形肢體的功能和設計原理？

SpiRobs 的設計確實可以啟發我們重新思考自然界中其他螺旋形肢體的功能和設計原理，具體表現在以下幾個方面：

功能與形狀的關聯：SpiRobs 的設計展示了螺旋形狀如何增強機器人的靈活性和抓取能力，這一原則可以應用於分析自然界中其他螺旋形肢體的功能，例如章魚的觸手和蜗牛的殼，這些結構的形狀與其功能之間的關係值得深入研究。

生物力學的啟示：SpiRobs 的設計原則可以幫助我們理解自然界中螺旋形肢體的生物力學特性，這些特性使得生物能夠在不同環境中靈活運動和操作物體，從而為機器人設計提供新的靈感。

適應性與靈活性：SpiRobs 的自適應抓取能力啟示我們，許多自然界中的螺旋形肢體也具備類似的適應性，這一特性使得它們能夠在多變的環境中生存和繁衍，這對於機器人的設計和應用具有重要的啟發意義。

設計原則的普遍性：SpiRobs 的設計原則強調了螺旋形狀在多種生物中的普遍性，這一觀點可以促使我們探索其他生物的形狀和結構，尋找其背後的設計原理，從而推動仿生機器人的發展。