研究人员开发出用于柔性机器人技术的实时物理引擎

如今电影动画和电子游戏都是栩栩如生,捕捉到一缕头发从女主角的眼睛上飘落,动画细腻程度令人印象深刻。来自加州大学洛杉矶分校(UCLA)和卡内基梅隆大学的合作者们首次将这一复杂的计算机图形技术改编成模拟柔性机器人的动作。

研究人员开发出用于柔性机器人技术的实时物理引擎
由加州大学洛杉矶分校和卡内基梅隆研究人员开发技术,仿真序列显示了一个软性机器人的七条灵活的肢体规划其前进运动的仿真序列。

该研究已经实现了比实时仿真更快的柔性机器人,这是向着这种机器人的自主性和能够自主规划动作的机器人迈出了一大步,柔性机器人是由柔性材料制成的,这使得它们在与人类互动时具有内在的抗损伤能力,而且在与人类互动时可能会更安全。在这项研究之前,预测这些机器人的运动是具有挑战性的,因为它们在运行过程中会改变形状。

电影经常使用一种名为离散弹性棒(DER)的算法来模拟自由流动的物体。DER可以在不到一秒钟内预测数百个动作。研究人员希望利用DER创建一个物理引擎,可以模拟生物机器人以及机器人在具有挑战性的环境中的运动,比如火星表面或水下等,研究人员希望利用DER创建一个物理引擎。

另一种基于算法的技术–有限元法(FEM),可以模拟实体和刚性机器人的运动,但它并不适合处理复杂的柔性自然运动。它还需要大量的时间和计算能力。

直到现在,机器人学家们还在用一个艰难的试验过程来研究柔性材料系统的动力学,设计和控制柔性机器人。

卡内基梅隆大学工程学院机械工程副教授卡梅尔·马吉迪说:“由坚硬、不易弯曲的材料制成的机器人,使用现有的计算机模拟工具进行建模相对容易。”直到现在为止,还没有好的软件工具来模拟机器人的软性和可变形机器人。我们的工作是第一个演示如何使用同样的计算机图形软件成功模拟软机器人的工作之一,该软件曾被用于在大片和动画电影中模拟头发和织物。”这项研究得到了陆军研究办公室的部分资助。

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“几年来,柔性机器人的实验进展已经超过了理论,”美国陆军研究办公室的项目经理塞缪尔-斯坦顿博士说,”陆军研究办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分。这项工作是我们在具有复杂接触和不断变化的环境的受限空间中工作的高变形机器人的动力学和控制预测和设计能力的重要一步。”

研究人员目前正在努力将这项技术应用到其他类型的柔性机器人上,比如受细菌和海星运动的启发的柔性机器人。这样的游泳机器人可以完全不受束缚,在海洋学中用于监测海水状况或检查海洋生物的状态。

新型仿真工具可以大大缩短柔性机器人从画板到应用所需时间。虽然机器人还远远不能与自然系统的效率和能力相匹配,但计算机模拟可以帮助缩小这一差距。

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