团队设计机器人来帮助人类在太空居住

　　在未来的几十年里，美国宇航局计划将人类送回月球，在月球轨道上建立一个空间站，在月球表面建立一个永久基地，并希望将宇航员送上火星。

　　有什么可能出错呢?

　　不，说真的，会出什么问题，我们该怎么解决?这是哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员在过去四年中一直在问的问题，他们是一个研究机构的一部分，旨在开发有弹性和自主的深空和地外栖息地。

　　弹性地外栖息地研究所(RETHi)由普渡大学领导，与SEAS、康涅狄格大学和德克萨斯大学圣安东尼奥分校合作。它的目标是“设计和运行有弹性的深空栖息地，能够适应、吸收并迅速从预期和意外的中断中恢复过来。”

　　SEAS机器人高级研究员Justin Werfel领导的团队负责开发技术，让自主机器人修复或更换栖息地中受损的部件。

　　“如果一颗陨石在任务间隙破坏了栖息地，而宇航员又不在那里修理，会发生什么呢?”韦费尔问道。“或者如果发生在工作时间，宇航员可能会忙于其他紧急情况。在更常规的情况下也是如此;从更换过滤器到清洁东西，有很多日常维护任务占用了宇航员宝贵的时间。你真的希望栖息地能够自己处理尽可能多的事情，这意味着机器人可以完成这项工作。”

　　自该项目于2019年启动以来，Werfel和团队(包括SEAS的Harry Lewis和Marlyn McGrath工程与应用科学教授Robert Wood)开发了新的机械臂和抓取器、改善人机协作的新系统，以及设计机器人友好设备的新方法。

　　为这些所谓的智能机器人设计机器人的最大挑战之一是深空居住所需的多功能性。大多数工业机器人，如用于制造汽车或库存仓库的机器人，都是高度专业化的，只能执行一些特定的任务。但深空栖息地无法容纳几十个专门的机器人。相反，一个或几个多功能机器人将需要能够执行许多不同的任务，包括紧急维修。

　　朝着这个目标的一个项目是开发多模式抓手，这种抓手可以改变形状，以不同的方式抓住不同类型的物体。

　　伍德说:“人类的手可以适应许多功能，包括那些需要高精度、需要高强度的功能，或者那些可能受益于顺应性的功能。”“这种设计试图捕捉类似的适应性行为，以增加单个抓手的任务范围。”

　　在IEEE上发表的一篇论文中，Werfel和他的团队，包括来自哈佛大学设计研究生院(HGSD)和韩国釜山国立大学的合作者，开发了一种由所谓的剪刀连接组成的手指夹具，可以重新配置以改变手指关节的数量。

　　这种夹持器有三种模式。在第一种情况下，手指很短，不会弯曲，使他们能够牢固而安全地抓住物体。在第二种模式下，手指获得一个关节，让抓手执行手持操作，允许它移动和旋转物体而不松开它们。最后一种模式增加了两个关节，允许手指被动地适应物体的形状并分配接触压力，这对于抓取形状不规则或精致的物体很有用。

　　该论文的共同作者是釜山大学的权正汉(音译);SEAS研究生David Bombara和Clark Teeple;HGSD的Joonhaeng Lee和Chuck Hoberman;和木头。

　　第一批智能家居可能不会比一个移动房屋大，并装满了设备。与传统的刚性机器人相比，软体机器人在人类周围操作时更安全，而且可以变形，更容易挤进狭小的空间，但柔软也意味着它们缺乏完成某些工作所需的力量。

　　为了应对这一挑战，RETHi的机器人团队设计了一种柔软的机械臂，它可以变硬，以增加其力量和有效载荷能力。

　　这项研究发表在《科学机器人》杂志上。

　　全SEAS团队包括Wood、Teeple、SEAS前本科生和博士后Daniel Bruder以及研究生Moritz Graule，他们设计了一个带有两个独立控制部分的软臂。

　　每个部分都由柔软的关节组成，单个关节的活动范围很小，但合在一起可以使手臂弯曲90度。沿着脊柱和关节放置几个致动器可以诱导局部身体僵硬，从而使手臂能够拿起或移动重物。

　　Bruder说:“这种设计方法可能会导致更有能力的软机械臂，可以在深空栖息地充满障碍的环境中导航，同时安全地与人类机组人员和精致物体互动。”

　　有些任务需要合作，比如移动大型或重型设备，比如太阳能电池板和卫星天线。为了让宇航员在执行这些任务时更容易得到机器人的帮助，韦尔费尔和前海洋研究所博士后妮可·凯里(Nicole Carey)设计了一种方法，让自主机器人在不需要知道任务或目标细节的情况下遵循人类的指导，只需要通过感知施加在物体上的力。

　　例如，如果宇航员需要帮助移动太阳能电池板，他们可以把手放在面板上，引导机器人朝正确的方向移动，而不需要明确地告诉机器人他们的意图。

　　“在这种情况下，被操纵的共享对象充当了协调的物理通道，”凯里说。“人类领导者可以施加一个力，机器人会跟随这个信号。”

　　能够处理为人类设计的任务的机器人是机器人技术的长期目标之一，但要实现这一目标需要很长时间和大量的工作。有没有一种方法可以让现有的机器人更快地帮助我们，通过在设计设备时考虑到机器人?

　　这是Werfel和RETHi机器人团队正在探索的另一条途径。

　　Werfel说:“我们不是把机器人提升到人类的水平，而是把任务降低到机器人的水平，并建造一些机器人和人类都能轻松操作的东西。”

　　在2022年的一篇论文中，Werfel、Teeple和SEAS前博士后内森·梅伦布林克(Nathan Melenbrink)制定了设计机器人友好硬件的策略，包括将复合动作整合到更简单的机制中，并将所需的动作限制在单个轴上。

　　该团队重新设计了几个重要的设备，包括一个水过滤组件，使它们更容易被机器人修复。

　　“与人类的人体工程学设计方法类似，我们的机器人因素设计方法在设计过程中考虑了当前机器人的能力，”Melenbrink说。“我们采用了以前需要灵巧的双手操作的硬件，并对其进行了重新设计，使整个任务可以通过单个机械臂和标准的平行颚抓取器来完成。”

　　随着RETHi项目进入拨款的最后一年，SEAS机器人团队将对他们的技术进行测试，对陨石撞击留下的洞进行物理和虚拟的综合模拟。

　　“RETHi所做的一切都是为了为未来的栖息地设计师创造工具，”Werfel说。“我们的目标是给他们更多的选择，让他们的系统可以处理什么，当系统中高度互联的组件出现问题时，更好地预测成本，以及更大的设计能力，可以处理任何运气抛给他们的东西。”任务不可能完全避免问题，所以我们的技术有能力在问题出现时处理问题，这将使人类进入深空旅行成为现实。”

　　更多信息:junhan Kwon等，基于可转换链接的多模式抓取和操作夹具，IEEE机器人与自动化学报(2023)。DOI: 10.1109/LRA.2023.3329758期刊信息:IEEE电力电子，科学机器人，IEEE机器人和自动化新兴和选择主题期刊由哈佛大学约翰a保尔森工程与应用科学学院提供的信件引文:团队设计机器人以帮助人类在太空居住(2024年，2月1日)检索自2024年2月1日https://techxplore.com/news/2024-02-team-robots-human-habitation-space.html此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。