3D-печатная бесступенчатая трансмиссия совместила в роборуке силу и скорость

Американские инженеры разработали 3D-печатную бесступенчатую трансмиссию, передаточное число которой адаптируется к натяжению троса, который она приводит в движение. На ее основе разработчики создали механическую руку, которая благодаря применению шестерни может совмещать высокую скорость работы и прикладываемую силу. Посвященная разработке статья опубликована в Science Robotics.

Сегодня роботизированные руки нередко используются в качестве протезов для людей. Как правило, в них устанавливается несколько моторов, которые приводят в движения пальцы. Поскольку совместить в электромоторе небольшой размер и массу с высоким крутящим моментом и скоростью вращения достаточно сложно, во многих протезах используются более простые моторы, из-за которых протез становится медленным и неудобным в использовании. В качестве решения этой проблемы некоторые инженеры предлагают использовать конструкции, позволяющие менять передаточное соотношение вращающихся колес в протезе и подстраивать его под задачу, но это также сильно увеличивает сложность, размер и массу протеза.

Группа инженеров из Корнеллского университета под руководством Роберта Шепарда (Robert Shepherd) разработала простую и легкую конструкцию, позволяющую совмещать высокие силу и скорость вращения. По сути она представляет собой бесступенчатую трансмиссию с переменным передаточным соотношением. Она состоит из нескольких частей: вала с относительно небольшим радиусом и двух дисков на торцах с гораздо большим радиусом, соединенных тонкими перемычками.

Принцип работы трансмиссии основан на том, что при ее печати инженеры применили два полимера — жесткий и эластичный. При небольшом натяжении намотанного на трансмиссию троса его радиус практически не меняется, но при увеличении эластичные перемычки растягиваются и уменьшают радиус и передаточное соотношение, делая его оптимальным для применений, когда прикладываемая сила важнее скорости.

Разработчики продемонстрировали преимущества созданной ими конструкции на примере роботизированной руки. Они оснастили ее шестью моторами и трансмиссиями — по одному на каждый палец, за исключением большого, который имеет две степени свободы и требует два независимых мотора. Пальцы могут сгибаться за счет натяжения троса моторами. Кроме того на всех пальцах инженеры закрепили датчики силы и приближения.

Благодаря созданной инженерами трансмиссии рука успевает ловить брошенные в нее предметы, замечая их с помощью датчиков приближения в пальцах, а также удерживать предметы массой около килограмма и, к примеру, сминать алюминиевую банку.

Инженеры провели эксперименты с одним пальцем и показали, что он способен полностью сгибаться за 450 миллисекунд и прикладывать силу в 32 ньютона. Таких же результатов им удалось достичь и без новой трансмиссии, но для этого пришлось использовать два вала с разными радиусами, которые менялись между испытаниями на силу и скорость.

Это не первый пример инженерного подхода, при котором разработчики используют простые материалы и конструкции для создания эффективных устройств. К примеру, в прошлом году американские инженеры разработали робочервя, в основе которого лежит бумажная оригами-конструкция, собранная таким образом, что она способна преобразовывать вращательное движение в поступательное.

Григорий Копиев