Скручивающаяся трубка заменила внешний насос в актуаторах
Гонконгские и американские инженеры разработали новую конструкцию актуатора для гидравлических и пневматических роботов. Она состоит из трубки, которая скручивается небольшим мотором, сокращается и выталкивает текучую среду. Актуатор с такой конструкцией автономный и не требует подключения к большому внешнему насосу, но при этом достаточно сильный, чтобы его можно было использовать на практике: роборука на таких актуаторах смогла схватить и поднять бутылку с водой, а также сыграть на пианино. Статья опубликована в журнале Soft Robotics.
Во многих исследовательских проектах по робототехнике используются пневматические актуаторы: они позволяют значительно упростить конструкцию. Например, широко распространена конструкция роборуки, в которой каждый палец состоит из единой полости с выступами. При подаче воздуха в палец эти выступы надуваются и заставляют палец сгибаться. Кроме того, надувающиеся части конструкции используются почти во всех мягких роботах.
Но почти во всех этих проектах для создания давления в камерах используется большой внешний насос. Есть отдельные исключения, например, первый полностью мягкий робот с разлагающимся пероксидом водорода и микрофлюидной логической схемой или компактный насос, ускоряющий жидкость с помощью электрического поля, но они рассчитаны на небольшую силу. Инженеры под руководством Юньцюаня Ли (Yunquan Li) из Университета Гонконга разработали конструкцию актуатора, которая позволяет создавать большое давление при небольшом электромоторе, который легко можно разместить на самом роботе.
Основная часть актуатора состоит из гибкой полимерной трубки, внутри которой находится текучая среда — жидкость или газ. С одной стороны трубка замкнута и прикреплена к электромотору, а с другой открыта и через прикрепленное к ней кольцо-адаптер подключена к другому сосуду — им может быть любая другая конструкция, приводимая в движение с помощью давления.
Актуатор работает благодаря тому, что электромотор может скручивать трубку за счет своего вращения. Это приводит к тому, что трубка уменьшается в длину, а жидкость или газ выталкиваются из ее открытого конца в другой сосуд.
Инженеры решили продемонстрировать актуаторы в деле с помощью роборуки, которая, как и человеческая, состоит из двух основных сегментов и кисти с пятью пальцами. На плечевом сегменте установлен гибридный актуатор из скручиваемой трубки и воздушных мышц. Эти мышцы состоят из надуваемого полимерного сосуда, обернутого в оплетку. При подаче воздуха они увеличиваются в ширину, но это заставляет нити обмотки менять угол, поэтому мышца одновременно с этим уменьшается в длину. Объединение двух актуаторов позволило достичь достаточно высокого усилия при сокращении при использовании воды — 110 ньютонов, а вот при использовании воздуха усилие было меньше. Соотношение усилия к весу у этого актуатора составляет 45,83.
В предплечевом сегменте используются два соединенных между собой скручиваемых актуатора с закрепленным между ними поворотным механизмом. При разнице давлений механизм поворачивается в сторону того актуатора, где давление меньше, а кисть поднимается или опускается. В качестве пальцев используется стандартная конструкция с трубкой, которая с одной стороны ограничена слабо растягиваемым материалом. Из-за этого при подаче воздуха растягиваются все части кроме этой, и палец сгибается. Давление в пальцах также нагнетается с помощью скручивающихся актуаторов, но расположенных в основании руки и связанных с помощью трубок.
Инженеры собрали все элементы в единую роборуку и показали ее возможности на практике, присоединив ее к костюму панды: рука смогла схватить и поднять небольшую бутылку с водой, а также сыграть простую мелодию на пианино, поочередно нажимая на клавиши разными пальцами. Авторы отмечают, что рука двигается не очень плавно, поэтому они уже начали работать над следующей версией, в котором они планируют оптимизировать конструкцию руки, а также добавить сенсоры, чтобы рука могла отслеживать реальное положение всех своих сегментов.
Кроме пневматических и гидравлических роботов существуют также тросовые, в которых натяжение тросов вызывает изгиб конструкций. В прошлом году британские инженеры разработали конструкцию, которая позволяет таким роботам изгибаться в две стороны, но при этом сопротивляться кручению.
Григорий Копиев
Надувная рама убережет дрон от разрушений при столкновениях и жестких приземлениях
Инженеры разработали квадрокоптер SoBAR с надувной рамой из полимерных материалов, покрытых нейлоновой тканью. Благодаря мягкой деформируемой раме, поглощающей энергию удара, дрон может врезаться в препятствия на скорости до двух метров в секунду и быстро восстанавливать контроль над полетом из-за низкой скорости отскока. Также инженеры оснастили дрон надувным бистабильным захватом, который позволяет приземляться на предметы разной формы на большой скорости. Статья опубликована в журнале Soft Robotics. При полетах дронов-мультикоптеров на низкой высоте или в помещениях велика вероятность их столкновения с препятствиями. Существующие решения этой проблемы связаны либо с совершенствованием алгоритмов управления, которые позволяют дрону вовремя замечать опасности и уклоняться от них, либо с повышением прочности конструкции. Второй подход обычно сводится в установке дополнительной защиты в виде бамперов, которые поглощают энергию удара при столкновениях и препятствуют повреждению роторов. Но существуют и более экзотические варианты, в которых, например, рамы дронов имеют подвижные подпружиненные или изготовленные из эластичных материалов элементы, чтобы гасить энергию удара за счет упругой деформации. Группа инженеров под руководством Вэнь Лун Чжаня (Wenlong Zhang) из Университета штата Аризона разработала квадрокоптер SoBAR (soft-bodied aerial robot), конструкция которого совмещает в себе упругие и жесткие элементы. Дрон имеет мягкую раму, которая надувается с помощью воздуха. Она имеет стандартную для квадрокоптеров крестовидную форму и сделана из термопластичного полиуретана, покрытого сверху нейлоновой тканью. В центре надувной рамы располагается клапан для подачи воздуха, к которому подсоединен мембранный микронасос. Давление внутри рамы, контролируемое сенсором, может варьироваться. Тем самым изменяется ее жесткость и поведение дрона в полете и при соударениях с препятствиями. Сверху на центральной части крепится отсек с электроникой, в котором помимо насоса находятся аккумулятор, полетный контроллер и бортовой одноплатный компьютер. Электромоторы с трехлопастными винтами расположены на некотором расстоянии от концов лучей рамы. Таким образом надувная рама сама выступает в роли бампера при соударениях с препятствиями, предотвращая повреждение пропеллеров. В сложенном виде дрон занимает мало места, а для приведения его в полетную форму необходимо разложить тканевую раму, разместить на ней двигатели и накачать воздухом. Все эти манипуляции занимают около четырех минут. Под рамой инженеры разместили бистабильный мягкий захват. С помощью него дрон может садиться и закрепляться на объектах. Точно так же, как и рама, он может надуваться и поэтому изготовлен по той же технологии из слоев термопластичного полиуретана с оболочкой из нейлоновой ткани. Внутрь полимерной оболочки помещен бистабильный пружинный актуатор, в качестве которого используется отрезок металлической ленты от измерительной рулетки, который предварительно оборачивают выпуклой стороной вокруг стержня, чтобы придать ему пружинные свойства. Захват может состоять из нескольких таких бистабильных элементов, чтобы обхватывать предметы сложной формы. В исходном состоянии актуатор распрямлен. Дрон подлетает к выбранному для посадки объекту и на высокой скорости опускается, ударяясь о него захватом. Мягкая рама дрона смягчает удар, а актуатор от соударения за 4 миллисекунды переходит в свернутую форму, благодаря чему захват обхватывает предмет. Затем, когда необходимо взлететь, в герметичную полимерную оболочку нагнетается воздух, и захват распрямляется. Для этого требуется около трех секунд. В развернутом состоянии захват может выступать в роли посадочных салазок. В экспериментах дрон сталкивали со стеной на скорости до двух метров в секунду. При этом отскок после столкновения происходил со скоростью менее 1.5 метра в секунду, что ниже значений для дронов с жесткой рамой. Это объясняется тем, что энергия удара поглощается за счет деформации мягкой надувной рамы. Благодаря этому дрон быстро восстанавливает контроль над движением после отскока. В тестах бистабильного захвата дрон, помимо цилиндрических насестов, успешно садился и закреплялся на предметах сложной формы, таких как строительная каска, край лестницы, камень, ветку дерева. Причем дрон может успешно садиться даже на объекты, расположенные вблизи препятствия о которое он вынужден удариться, чтобы совершить посадку. Тестовый квадрокоптер с жесткой рамой в аналогичной ситуации падает. В будущем инженеры планируют улучшить алгоритмы управления для разных уровней давления воздуха в раме. Также они планируют добавить противоскользящие элементы для предотвращения смещения положения моторов при соударениях, и изменить крепление захвата, чтобы расширить возможности дрона по посадке на предметы сложной формы. https://www.youtube.com/watch?v=_T7nMQoI57U&feature=youtu.be Помимо разработки противоударных конструкций на случай возможного столкновения с препятствиями, инженеры также совершенствуют и алгоритмы управления беспилотниками в сложных средах с большим количеством объектов вокруг. Например, инженеры из Швейцарии разработали автопилот, который способен управлять дроном в лесу на высокой скорости, выбирая маршрут и маневрируя между деревьями.