Пневматического робота отучили сминаться при сматывании в катушку
Американские инженеры решили проблему сминания мягкого пневматического робота, установив в головную часть электромоторы с роликами. Благодаря этому робот сматывается обратно по той же траектории, по которой изначально разворачивался, и практически не воздействует на окружающую среду, говорится в препринте на arxiv.org.
Мягкие роботы — одно из экспериментальных направлений в современной робототехнике. Для решения реальных задач они пока что практически не используются, однако обладают рядом преимуществ перед жесткими конструкциями — не боятся ударов, сдуваются для транспортировки или хранения, а также могут безопасно использоваться рядом с людьми и животными, поскольку мягкий корпус сильно понижает риск травмы.
При этом у мягких роботов существуют и очевидные минусы — они боятся острых препятствий и проколов, а если работают на пневматике, то им требуется внешний компрессор. Кроме того, иногда простота конструкции приводит к появлению и других специфических проблем, которые инженерам приходится решать. Например, надувное тело в некоторых условиях может смяться и изменить запланированную траекторию движения робота.
Именно с такой проблемой столкнулась группа инженеров из Стэнфордского университета под руководством Маргарет Коэд (Margaret M. Coad). Созданный ими пневматический робот состоит из катушки и надувного хвоста, который способен постепенно надуваться и «расти» вперед. В основании хвоста установлены направляющие актуаторы, позволяющие менять направление хвоста, проникая в труднодоступные места. Катушка в компактном виде хранит сдутую оболочку и постепенно разматывает или сматывает ее. При сматывании робота обратно в катушку (такой режим авторы назвали инверсией) он может вместе с надувной оболочкой собрать образцы материала, и, по задумке авторов это должно происходить с минимальным воздействием на окружающую среду.
При тестировании выяснилось, что при достижении неудачного соотношения длины хвоста и изгиба робот в режиме инверсии сминается с одной стороны и вместо втягивания внутрь начинает двигаться вбок, двигая окружающие объекты и перемешивая образцы забираемого материала. Проведя моделирование, инженеры установили пороговые значения, при которых робот начинает заминаться, а также выяснили, что этого вообще не должно происходить, если точка приложения усилия к оболочке будет расположена на конце хвоста, а не в его основании.
Для того, чтобы переместить активную точку сматывания от основания хвоста (катушка) к его концу, инженеры разработали конструкцию из кольца с роликами и электромоторами, через которую пропускается оболочка. У модифицированного робота именно ролики, установленные в конце хвоста, отвечают за приложение силы при сматывания оболочки, в то время как катушка в основании лишь выбирает слабину.
Экспериментальная проверка показала, что благодаря такой конструкции робот действительно не сминается — при сматывании хвост возвращается по той же траектории, по которой он «рос». Кроме того, кольцо с роликами исключило смазывание образцов телом робота и теперь он не перемешивает даже несколько материалов, забранных в одной точке. Единственный ощутимый минус конструкции, установленной в конце хвоста, заключается в том, что она ограничивает габариты частиц, которые может собрать робот, но это, по словам авторов, решается установкой комплектов из кольца и роликов с другими размерами.
Есть и другой способ решить проблему сминания пневматических роботов — например, разбить тело на отдельные сегменты, каждый из которых сам по себе прямой, а общий изгиб конструкции происходит благодаря межсегментным сочленениям. Именно так поступили инженеры из Токийского технологического института, построившие двадцатиметровую надувную робозмею.
Николай Воронцов
И летать по заданной траектории
Инженеры разработали прототип миниатюрного орнитоптера под названием Bee++. В воздух он поднимается с помощью четырех крыльев, а его масса составляет 95 миллиграмм. Махолет управляется по тангажу, крену и рысканью и способен летать по заданной траектории. Статья с описанием робопчелы опубликована в журнале IEEE Transactions on Robotics. В последние годы становятся популярными разработки в области миниатюрных беспилотников, которые по размеру сопоставимы с насекомыми. Миниатюризация вынуждает инженеров отходить от ставшей уже классической схемы с воздушными винтами и электромоторами, так как использовать их эффективно в беспилотниках весом меньше грамма невозможно. Вместо этого инженеры используют схему орнитоптеров — летательных аппаратов, у которых подъемная сила создается за счет периодических взмахов крыльями. Для приведения их в движение обычно применяют пьезоэлектрические актуаторы, передающие усилие на крылья через механическую трансмиссию. Несмотря на то, что эта схема доказала свою работоспособность, большинство из созданных сегодня миниатюрных махолетов не имеют стабильного управления по оси рысканья. Эту проблему решили инженеры под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) из Университета штата Вашингтон. Они построили миниатюрный орнитоптер, который управляется по всем трем осям. Микроорнитоптер, названный Bee++, представляет собой улучшенную версию орнитоптера, представленную авторами в 2019 году. Так же, как и предшественник, Bee++ имеет четыре машущих крыла, приводимых в действие индивидуальными пьезоэлектрическими актуаторами, а его масса составляет 95 миллиграмм. Сверху и снизу на корпус установлены восемь защитных стержней, которые предотвращают махолет от ударов об окружающие предметы. Питание прототип получает через провода. Несмотря на то, что крылья не имеют механизмов управления углом установки, плоскости их движения имеют заранее определенный наклон. Благодаря этому удается создавать крутящий момент по крену, тангажу и рысканью за счет изменения амплитуды движения пар крыльев. Например, для того чтобы наклонить махолет вперед, амплитуда пары крыльев, расположенных в передней части уменьшается, вследствие чего снижается генерируемая ими тяга. В результате орнитоптер наклоняется заданном направлении. Аналогичным образом происходит управление по оси крена с помощью боковых пар крыльев. Для поворотов по оси рысканья изменяют амплитуду движения пар крыльев, расположенных по диагонали. Набор или снижение высоты происходит при увеличении или снижении частоты взмахов всех четырех крыльев. Инженерам удалось увеличить частоту движений крыльями, что привело к увеличению тяги на 125 процентов по сравнению с предыдущей версией робопчелы, которая могла лишь держаться в воздухе, но не имела достаточной тяги для управления рысканьем. В испытаниях робопчела продемонстрировала хорошую управляемость по оси рысканья и способность разворачиваться на угол 90 градусов за 50 миллисекунд со скоростью около 1800 градусов в секунду, что сравнимо с характеристиками мухи дрозофилы. Также робопчела успешно продемонстрировала способность удерживать положение корпуса по оси рысканья при одновременном перемещении по сложной траектории. По словам разработчиков в будущем в созданную ими платформу можно будет интегрировать сенсоры, которые позволят системе управления робопчелы ориентироваться в пространстве. https://www.youtube.com/watch?v=m9lLO1QpdcE Ранее мы рассказывали об инженерах из США, создающих крупные орнитоптеры, которые внешне похожи на птиц. Для этого они используют чучела настоящих животных. Корпус одного из прототипов покрыт перьями кеклика, а в его передней части находится голова чучела этой птицы, а во втором беспилотнике используются настоящие крылья голубя.