Техника оригами помогла создать мощный вакуумный захват
Американские инженеры разработали простое и недорогое устройство для захвата объектов различной формы. Оно состоит из жесткого каркаса, выполненного в технике оригами, и пластиковой пленки. Во время работы из внутренних полостей, образованных складками пленки, откачивается воздух, благодаря чему внутренняя поверхность захвата сжимается вокруг предмета, рассказывают авторы статьи, которая будет представлена на конференции ICRA 2019.
Захват предметов — одна из основных прикладных областей в робототехнике, разработки из которой можно применять во многих сферах. К примеру, хватающие роботы необходимы на производстве и складах, где их применение может значительно повысить эффективность работы и снизить издержки. Кроме того, надежная система захвата объектов необходима роботам, взаимодействующим с людьми и, к примеру, помогающим по дому. Обычно задачу захвата предмета принято разбивать на две части: его распознавание с помощью алгоритмов компьютерного зрения и непосредственно захват с помощью аппаратного обеспечения. В области разработки аппаратуры для захвата уже создано множество разработок, но зачастую в них не удается совместить силу захватывания, его точность и применимость к объектам разной формы, а кроме того, подобные устройства зачастую стоят очень дорого и их применение не всегда экономически целесообразно.
Группа инженеров под руководством Роберта Вуда (Robert Wood) из Массачусетского технологического института создала новый захват, лишенный этих недостатков. В основе устройства лежат три основных элемента: относительно жесткий, но упруго деформируемый каркас из пластика, напоминающий по форме узор оригами, пленка, делающая внутреннюю полость герметичной, а также трубка, ведущая к воздушному насосу. В качестве основы инженеры выбрали известный оригами-паттерн типа «магический шар», форму которого можно легко менять со сферической на цилиндрическую. Для создания воздухонепроницаемого барьера они использовали два материала (для разных прототипов) — латексную стенку воздушного шарика и прорезиненную ткань. Во время работы устройство размещается над предметом и насос начинает откачивать воздух. Снижение давления заставляет оригами-структуру сжиматься, превращаясь из сфероподобной в цилиндрическую, из-за чего объект надежно фиксируется в захвате.
Инженеры провели эксперименты с устройством и показали, что оно способно захватывать предметы различной, даже сложной, формы. К примеру, оно может схватить банку за угол между стенкой и крышкой, или кружку за ее ручку. Во время экспериментов устройство захватило предмет с диаметром семь сантиметров при диаметре собственном диаметре в десять сантиметров. Кроме того, разработчики измерили возможности устройства по подъему тяжелых грузов. При испытаниях они создавали внутри устройства относительное давление от −20 до −80 килопаскалей. При относительном давлении в −60 килопаскалей сила удерживания предмета составила 120 ньютонов, что равнозначно поднятию груза с массой, примерно в 120 раз превышающей массу устройства.
Группа Роберта Вуда и раньше занималась созданием актуаторов на основе структур оригами. К примеру, в 2017 году они создали искусственные мышцы, в которых используется похожая схема с откачиванием воздуха из герметичной пленки с пластиковым оригами-каркасом. Испытания показали, что пиковая мощность таких искуссвенных мышц составляет около двух киловатт на килограмм массы, что делает их мощнее настоящих скелетных мышц млекопитающих.
Григорий Копиев
Пока лишь со скоростью 1,6 миллиметра в секунду
Американские инженеры разработали робота, способного автономно передвигаться в толще сыпучего материала, проталкивая себя вперед с помощью двух конечностей, напоминающих плавники. В испытаниях робот продемонстрировал способность передвигаться в песке на глубине около 127 миллиметров со скоростью до 1,6 миллиметра в секунду. Статья опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems. Сыпучие материалы, такие как песок, мягкие почвы, снег или лунный реголит, представляют собой довольно сложную среду для передвижения. Объекты, движущиеся в их толще, испытывают высокое сопротивление, возрастающее с глубиной погружения. Кроме того, сыпучая среда ограничивает возможности зондирования и обнаружения препятствий. Тем не менее инженеры пытаются создать роботов, способных передвигаться в таких условиях. Например, американские разработчики представили прототип робочервя, способного двигаться в толще песка. Для снижения сопротивления он выдувает перед собой воздух, и одновременно разматывает мягкую оболочку своей передней части, выталкивая ее вперед, в то время как остальное тело остается неподвижным. Это позволяет значительно снизить сопротивление движению. Однако для его работы требуется воздух, который приходится подводить с поверхности. Создать робота, который смог бы передвигаться в песке автономно, решили инженеры под руководством Ника Гравиша (Nick Gravish) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Разработанный ими робот перемещается, проталкивая себя вперед через толщу сыпучей среды с помощью двух гибких конечностей, напоминающих плавники морской черепахи. Конечности состоят из пяти звеньев. Каждое звено способно вращаться относительно предыдущего, но углы их отклонений ограничиваются с помощью фиксаторов. В движение оба плавника приводятся через червячную трансмиссию с помощью единственного электромотора. При этом трансмиссия воздействует только на первые ближайшие к корпусу звенья. Благодаря фиксаторам, ограничивающим углы поворотов звеньев, при движении вперед конечности изгибаются, испытывая меньшее сопротивление среды, а при движении назад наоборот, распрямляются, позволяя роботу отталкиваться от песка. На концах конечностей разработчики поместили сенсоры, с помощью которых робот может обнаруживать расположенные сверху объекты. Корпус робота длиной около 26 сантиметров имеет прямоугольное сечение и утолщение в передней части, которое позволяет снизить сопротивление песка при движении. Нос робота заострен и имеет наклонную поверхность сверху, которая необходима для компенсации подъемной силы, возникающей при движении в песке. С этой же целью по бокам после проведенных тестов пришлось разместить два дополнительных наклонных неподвижных плавника, так как робот имел тенденцию задирать нос при движении под действием выталкивающей силы. Чтобы избежать попадания песчинок в механизм, конечности поместили в чехлы из нейлоновой ткани. Разработчики протестировали робота, погруженного на глубину 127 миллиметров в песок, сначала в небольшом искусственном резервуаре, а после в естественных условиях в песке на пляже. В сухом песке робот смог развить скорость 1,6 миллиметра в секунду. В более влажном песке на пляже робот двигался медленнее, со скоростью около 0,57 миллиметра в секунду. В будущем инженеры планируют увеличить скорость передвижения робота, а также научить его самостоятельно погружаться в песок. Ранее мы рассказывали об исследовании, в котором физики выяснили, что происходит со структурой песка при передвижении по нему с помощью прыжков. Они обнаружили, что при правильно подобранном времени задержки между приземлениями и новым толчком, можно увеличить высоту прыжка на 20 процентов и даже больше.