能爬管道的张拉整体结构机器人

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据世界卫生组织的说法，有30%的几率你在这一秒钟就呼吸着糟糕的空气，而美国环境保护署估计糟糕的室内空气每年导致600亿美元商业损失，这是一大笔钱：换句话说，我估计这就有IEEE Spectrum年度预算的一半那么多。

你可以把这种烂空气归咎于你的供暖和空调系统，事实上，你可能根本不知道它有没有被清洗过，手工清洗管道是一个非常费事非常肮脏的麻烦，还可能涉及部分拆除你的天花板或屋顶，或者，你可以设计一个巧妙的四面体张拉整体结构机器人来帮你做。

张拉整体机器人最初是在空间探索背景下由NASA艾姆斯的研究者们研发的；它们是刚性杆和线缆的组合，动态伸出和缩回线缆以改变所组成机器人的形状和大小，通过多功能和高质量效率的结构提供固有的柔量。张拉整体机器人有多种不同技术能用于机动：在或多或少水平的表面上，它们能爬、滚，甚至翻山。加州大学圣地亚哥分校机器人实验室的博士生Jeffrey Friesen设计了一个由两个四面体组成的张拉整体机器人，专门用来攀爬甚至垂直的空调管道，它叫做DuCTT，即管道攀爬四面体张拉整体结构的缩写：

下面是攀爬运动的更好镜头：

虽然视频里看起来有点像魔术，但是它有非常细的线缆由管子里的电机驱动，控制每个四面体以及能伸缩的管段的运动。机器人通过把它的上半部分支撑在管道上，提起它的下半部分，然后支撑在它的下半部分上再延伸上半部分来攀爬。重复这个过程，你就可以想爬多高就多高，特别是它有六小时电池续航时间。管子里还可以塞进任何你想要的传感器等东西。至于实际的清洗，机器人内部还有很多空间可以增加例如一个压缩空气系统，或者你可以在所有支柱上覆满清扫器等。难点是在于机动性，而这个机器人看来很好的处理了这点。

在去年的ICRA上提出的第一个原型由铝和3D打印部件制成。“我们把那个原型摔了一次，它基本上就碎了，”Friesen说，“几个月的工作都付诸东流，”最新原型在所有关节使用铝和碳纤维，因此它对于意外就更健壮。

说到关节，原来DuCTT的双四面体设计非常像人类肩关节，这对机器人设计有一些有趣的潜在影响：

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肩部充当人类手臂高度有效的六自由度关节，而且它是机器人目前很难完成的很多高精度、挠性、动态任务的关键组成部分，如书写、绘画和投掷。虽然传统机械手通过系列放置多个旋转电机来模拟球形关节，这也带来了许多并发症和挑战，而这种方法像我们在真正肩膀中看到的一样，保持致动器平行，并允许围绕实际旋转中心的挠性运动。因此，如果有可能用类似架构复制这种能力，这种拓扑结构就可以被利用为多种有肢体机器人的子组件。这也表明需要进一步调研该结构中非常规四面体的益处。

本文译自 IEEE Spectrum，由 王丢兜 编辑发布。