Односторонние пьезоактуаторы облегчили робопчелу
Американские инженеры разработали четырехкрылый орнитоптер массой менее ста миллиграммов. Использование четырех крыльев позволяет робопчеле управлять своим полетом относительно трех осей, а применение в роботе нового пьезоэлектрического актуатора упрощает создание робота по сравнению с аналогичными разработками, рассказывают авторы статьи, опубликованной на arXiv.org.
Помимо классических больших роботов, таких как знаменитые четвероногие роботы Boston Dynamics, инженеры из разных университетов создают и крайне миниатюрных роботов, весящих около грамма или даже меньше. К примеру, в прошлом году инженеры из Гарвардского университета показали четвероногого робота массой около полутора граммов, способного ходить даже по потолку, а Rolls Royce предлагает использовать таких роботов для осмотра и ремонта авиационных двигателей.
Подобные разработки ведутся и в области летающих роботов, однако это гораздо более сложная задача, потому что она накладывает большие ограничения на массу робота. В абсолютном большинстве миниатюрных летающих роботов используется конструкция орнитоптера, в которой подъемная сила создается благодаря периодическим движениям крыльев. Поскольку использовать электродвигатели в роботе с массой порядка ста миллиграммов практически невозможно, для приведения крыльев в движение в них применяются пьезоэлектрические актуаторы, которые отклоняются под действием тока и через механическую передачу заставляют крыло двигаться. В целом эта конструкция доказала свою работоспособность, но она имеет недостатки. Во-первых, в большинстве таких роботов используется два крыла, что не дает управлять рысканием, а во-вторых, в них применяются достаточно сложные в производстве двусторонние пьезоэлектрические актуаторы.
Инженеры из Университета Южной Калифорнии под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) создали робота массой 95 миллиграммов, использующего четыре крыла и более простые односторонние пьезоэлектрические актуаторы. Отличие этих актуаторов заключается в том, что они состоят из слоя материала, проявляющего пьезоэлектрический эффект, и пассивного слоя, а не двух пьезоэлектрических слоев, разделенных пассивным, как в других разработках. При приложении напряжения пьезоэлектрический слой сокращается и это заставляет актуатор изгибаться. Благодаря механической связи актуатора и крыла изгиб превращается в движение крыла.
Помимо более простой технологии создания, новые актуаторы также дают роботу преимущество в массе. Две пары сдвоенных актуаторов, использованных в работе, имеют массу 56 миллиграммов. Масса двух актуаторов похожей робопчелы, созданной в Гарвардском университете, составляет 50 миллиграммов, а у представленного недавно четырехкрылого робота масса всех четырех актуаторов составляет 100 миллиграммов.
Применение конструкции с четырьмя крыльями позволяет управлять не только креном и тангажом, но и рысканием. Для этого робот симметрично меняет соотношение амплитуд движений соседних крыльев:
Один из недостатков робота заключается в том, что он получает питание и команды по кабелю. В прошлом году инженеры из Вашингтонского университета решили эту проблему, создав похожего миниатюрного двухкрылого робота, получающего энергию с помощью солнечной панели, освещаемой лазерным лучом.
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.