ICRA 2016獲獎(jiǎng)?wù)撐模哼@些技術(shù)和軟件可用于機(jī)器人的快速制造｜新智造

新智造按：本文為ICRA 2016獲獎(jiǎng)?wù)撐模髡?nbsp;Nicola Bezzo、Ankur Mehta、Cagdas Onal和Michael T. Tolley，來(lái)源Robohub，由新智造獨(dú)家編譯，未經(jīng)許可拒絕轉(zhuǎn)載！

雖然近些年來(lái)，設(shè)計(jì)和制造科技發(fā)生了巨大的進(jìn)步，讓功能性機(jī)器人的開(kāi)發(fā)越來(lái)越容易，但要打造完全功能性的機(jī)器人，前行的道路上依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。打造成熟的機(jī)器人系統(tǒng)需要不同領(lǐng)域（包括機(jī)械、電子、軟件和控制理論等）的精湛技術(shù)，這些領(lǐng)域一旦取得杰出成就，機(jī)器人系統(tǒng)的成熟程度將更進(jìn)一步。

設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是得出制造機(jī)器人的整套制作程序，其包含結(jié)構(gòu)、機(jī)械制造和組裝。這方面的研究將有助于用戶從特定類型的結(jié)構(gòu)和功能中得出制造過(guò)程。可制造性設(shè)計(jì)(DFM)因?yàn)橹谱骷夹g(shù)的不成熟而對(duì)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)造成限制。隨著制造能力的提高，這些限制也能慢慢減少直到消失。比如，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎任何形狀的固體物件都能通過(guò)3D打印機(jī)制造出來(lái)。

然而，除了3D打印，我們還有其他的技術(shù)。最近的一個(gè)例子就是將2D材料折疊在一起的技術(shù)，這種技術(shù)與日本的折紙工藝類似。現(xiàn)在，一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用此技術(shù)將紙片、塑料薄膜和多層層合板打造成機(jī)器人。這種方法有著其他方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)：首先，它的制造過(guò)程很快；此外，它非常靈活。不過(guò)，讓2D材料變成3D結(jié)構(gòu)依然面臨重重挑戰(zhàn)。

除了要考慮結(jié)構(gòu)部分之外，機(jī)器人設(shè)計(jì)也要考慮電子和軟件系統(tǒng)部分。

制造技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速制造，新的增材制造至關(guān)重要。3D打印技術(shù)擴(kuò)展了我們能夠直接制造的設(shè)備，從揚(yáng)聲器到電池，再到應(yīng)變傳感器，3D打印能夠一網(wǎng)打盡。最近，我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索3D打印能夠用刀的材料、程序和設(shè)計(jì)方法，旨在擴(kuò)大3D打印的范圍。除了3D打印，機(jī)器人制造可用的另一種技術(shù)便是形狀沉積制造(SDM)，其原理是：零件和支撐都是逐層同步生成，而且新增加材料都是液態(tài)材料，每層完成之后都是在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行切削加工和應(yīng)力消除處理，層層疊加直到生成零件。

最近，有團(tuán)隊(duì)研究出了一種叫做PC-MEMS（打印環(huán)路微機(jī)電系統(tǒng)）的程序，其能夠用于制造電動(dòng)機(jī)械層板，而這些層板能夠用于制造機(jī)器人系統(tǒng)。現(xiàn)在，這種方法已經(jīng)用于制造可行走和飛行的昆蟲形狀機(jī)器人。

軟件環(huán)境

軟件在設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人系統(tǒng)中扮演著重要的角色。從設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在很多工具都能通過(guò)創(chuàng)造、繪制機(jī)械、電子和軟件來(lái)幫助用戶。軟件應(yīng)該盡可能地支持設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，為最終的產(chǎn)品保駕護(hù)航。

利用機(jī)器人操作環(huán)境（ROS），我們已經(jīng)搭建了一個(gè)面向機(jī)器人應(yīng)用的模塊化編程環(huán)境，我們將之命名為ROSLab。利用ROSLab，開(kāi)發(fā)者可以將機(jī)器人應(yīng)用中為數(shù)眾多的運(yùn)算單元，并將這些單元之間的消息傳遞方式統(tǒng)統(tǒng)模塊化，這樣一來(lái)，我們就能完全自動(dòng)化地生成一個(gè)機(jī)器人應(yīng)用的主體框架代碼。最近，我們讓機(jī)器人建筑模塊庫(kù)加入到ROSLab中來(lái)，繼續(xù)壯大了ROSLab，來(lái)為機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)造更加良好的設(shè)計(jì)環(huán)境。

從電子方面來(lái)說(shuō)，我們需要運(yùn)用兩種主要的汽電共生理論：一種是模塊方法，另一種是嵌入式印刷版。兩種方法都有著自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。用模塊方法創(chuàng)造的環(huán)路可重復(fù)利用，便于測(cè)試，能夠進(jìn)行特定任務(wù)，由諸如Arduino和Sparkfun的制造商團(tuán)體支持。然而，因?yàn)槠湟B接更多的連接器，所以尺寸更大也更重。同時(shí)，成本也更貴。而嵌入式印刷版可實(shí)現(xiàn)定制化，因此其在尺寸和重量上優(yōu)勢(shì)明顯，這也是為什么它在小型機(jī)器人制造上得到了廣泛應(yīng)用。

討論

以上總結(jié)的技術(shù)和軟件能夠用于機(jī)器人系統(tǒng)的快速制造，然而要讓設(shè)計(jì)方案與最后的成品一致，我們還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此，在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中，我們需要反復(fù)確認(rèn)，以讓成品滿足設(shè)計(jì)師的要求。

不過(guò)，而就目前來(lái)說(shuō)，原型系統(tǒng)發(fā)展得越來(lái)越低價(jià)，這就大大減少了設(shè)計(jì)程序中確認(rèn)的必要。現(xiàn)在，我們可以放心大膽地運(yùn)用各個(gè)方法進(jìn)行測(cè)試，不斷嘗試找出錯(cuò)誤，直到得出最終正確的結(jié)果。有時(shí)候，這種方法也是一種經(jīng)濟(jì)和可行的方案。

接下來(lái)，我們說(shuō)說(shuō)按需設(shè)計(jì)的機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，它就是一種定制化的機(jī)器人。現(xiàn)在，對(duì)于定制化機(jī)器人，業(yè)界存在兩種觀點(diǎn)。有人支持這種機(jī)器人的發(fā)展，認(rèn)為其能讓用戶開(kāi)發(fā)自己獨(dú)一無(wú)二的機(jī)器人。而有人認(rèn)為這種機(jī)器人的存在其實(shí)沒(méi)有必要，他們認(rèn)為業(yè)界的重點(diǎn)應(yīng)該放在擴(kuò)展機(jī)器人制造程序的能力之上，這樣我們就會(huì)有更多可以通用的機(jī)器人。不過(guò)，業(yè)界公認(rèn)未來(lái)的機(jī)器人能夠完成的任務(wù)會(huì)越來(lái)越多。

我們相信以上列出的技術(shù)和軟件會(huì)對(duì)機(jī)器人制造領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

首先，它們不僅適用于定制化機(jī)器人，也適用于通用機(jī)器人，研究者們可以根據(jù)自己的特定范疇來(lái)選取特定的方法。

其次，而不管選取哪種方法，它們都比傳統(tǒng)機(jī)器人制造方法要節(jié)省成本。

此外，隨著機(jī)器人擴(kuò)展到更多的領(lǐng)域（比如擴(kuò)展到藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域），越來(lái)越多人提出了一個(gè)問(wèn)題：如何才能讓機(jī)器人對(duì)人類產(chǎn)生積極影響？現(xiàn)在，我們已經(jīng)研究了一些能夠造福人類的機(jī)器人（如農(nóng)業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等），以打造更多服務(wù)人類的機(jī)器人。而以上所提的方法和軟件將會(huì)對(duì)打造價(jià)格親民、易于制造、造福人類的機(jī)器人產(chǎn)生巨大的影響。

最后，它們也有著教育意義，鼓勵(lì)更多的后輩們成為機(jī)器人學(xué)家和工程師。

Via：Robohub

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