Лазерный резак научили собирать готовые к полету дроны
Американские и британские инженеры создали насадку для лазерных резаков, позволяющую им создавать дроны — резак вырезает корпус, а насадка перемещает на него компоненты, наносит контактные дорожки и спекает их. После этого дрон может взлететь прямо с резака и приступить к работе. Статья будет представлена на конференции CHI 2021.
Как правило, при создании прототипов роботов и дронов инженеры задействуют распространенные компоненты, например, микрокомпьютеры Raspberry Pi и микропроцессоры Arduino, а также популярные моторы. Тем не менее соединять их между собой, проверять совместимость и программировать все равно приходится самостоятельно, поэтому далеко не каждый инженер-любитель может без труда создать простого робота, а тем более это сложно для людей других профессий, к примеру, ученым, которым дрон или робот нужен для решения прикладной задачи, а не сам по себе.
Для решения этой проблемы существуют проекты, в которых используется библиотека стандартных элементов: их можно собирать в единого робота в программе, после чего она выдает инструкции по сборке и соответствующее программное обеспечение, причем в некоторых случаях она даже рассчитывает параметры работы двигателей под созданную пользователем кинематическую модель.
Инженеры под руководством Штефани Мюллер (Stefanie Mueller) из Массачусетского технологического института разработали новый полуавтоматизированный метод сборки дронов из стандартных элементов (метод можно применить и для других устройств, но авторы продемонстрировали его в основном на дронах). Его главное преимущество заключается в том, что сам процесс сборки тоже максимально автоматизирован и по сути вся работа пользователя сводится к взаимодействию с программным обеспечением.
За основу инженеры решили взять лазерный резак, который используется для вырезания плоских деталей из больших листов или объемных, если делать в листе не сплошной разрез, а углубление, вдоль которого две части можно загнуть. Резак представляет собой большой аппарат с закрытым корпусом, внутри которого есть декартов механизм с подвешенной лазерной головкой, ездящей в плоскости над листом. Помимо вырезания частей корпуса для создания дрона или другого устройства нужно также оснастить его электроникой и провести между ней проводящие дорожки для питания и управления. Авторы решили эту задачу, создав насадку для лазерной головки резака, в которой есть распылитель прекурсора для проводящих дорожек, и манипулятор, который может перетаскивать электромоторы и другие компоненты на вырезанные детали корпуса.
В насадке установлено два шприца, подключенных к общему насосу. Один из них работает как пневматический захват и может поднимать большие компоненты массой до 65 грамм и небольшие чипы вплоть до типоразмера 2010 (5 на 2,5 миллиметра). Второй шприц выпускает пасту с серебряными частицами: она наносится на место будущей проводящей дорожки, а затем лазер резака нагревает ее и спекает в твердую дорожку, хорошо проводящую электричество. Таким же образом насадка закрепляет компоненты на деталях корпуса.
Одно из самых необычных решений, которые авторы применили в работе — это то, как насадка получает инструкции по работе. Авторы решили не задействовать сам резак, поскольку обычно в них установлена проприетарная прошивка, доступ к которой и модификация затруднена. Вместо этого они решили вставлять в план движений лазерной головки резака дополнительные траектории, большая часть из которых нужна для перемещения насадки к нужным местам, а часть кодирует системные данные для насадки. В качестве такой траектории инженеры выбрали прямую линию длиной три миллиметра — при движении по такой траектории резак сначала создает на акселерометре насадки большое пиковое ускорение, а перед концом линии второе пиковое ускорение с обратным направлением. Такая комбинация ускорений не встречается при обычных движениях во время работы резака, поэтому ее можно использовать для подачи команд насадке: активации или деактивации одного из двух шприцов.
Для создания дрона или другого устройства пользователю необходимо создать простую модель из стандартных элементов на компьютере, разместить в резаке полимерный лист для корпуса и детали (они могут уже находиться там) и дать команду на сборку. После этого резак с насадкой сам вырезает корпус, кладет на него нужные компоненты, например, моторы с винтами и управляющую плату, а затем подводит к ним проводящие дорожки. На демонстрационном ролике можно увидеть, что после этого дрон полностью готов к использованию и может взлететь прямо из резака, если его крышка открыта.
В 2017 году другая группа инженеров из Массачусетского технологического института научилась печатать на 3D-принтере электронные устройства, которые меняют свою форму уже после печати.
Григорий Копиев
Его можно сдавливать и растягивать во время работы
Инженеры разработали полностью мягкий бесколлекторный электродвигатель. Его статор, ротор и даже магниты сделаны из силикона. В качестве обмотки используются трубки, заполненные жидким сплавом галлия и индия. Для демонстрации возможности практического применения электромотор применили в конструкциях воздушных и водяных насосов, а также для приведения в движение тележки на колесах. Статья с описанием двигателя опубликована в журнале Soft Robotics. Роботов, состоящих полностью из мягких материалов, обычно разрабатывают для использования в областях, где требуется деликатное взаимодействие с окружающими объектами, в том числе для наблюдений за хрупкими морскими животными в их естественной среде обитания или в медицине при взаимодействии с человеком. Несмотря на то, что разработка подобных роботов ведется уже довольно давно, до сих пор одной из главных проблем остается выбор подходящего актуатора для них. Обычно применяемые в таких случаях пневматика и гидравлика не всегда подходят. Например, они не могут полноценно заменить электродвигатели для создания эффективного быстрого вращательного движения, а также требуют внешних или бортовых насосов для создания давления. https://www.youtube.com/watch?v=o-Lgy0rkvFM Этот пробел в компонентной базе решили устранить инженеры под руководством И Чэнь Мазумдар (Yi Chen Mazumdar) из Технологического института Джорджии. Они разработали четырехполюсный трехфазный синхронный бесколлекторный электродвигатель, состоящий полностью из мягких материалов. Внешний диаметр двигателя составляет 80 миллиметров, высота 40 миллиметров, а диаметр ротора 10 миллиметров. Статор изготавливается из мягкого легко деформируемого силикона. На нем расположены шесть катушек, в качестве обмоток на которых вместо медных проводов используются мягкие силиконовые трубки с внутренним диаметром 1,3 миллиметра. Они заполнены жидким при комнатной температуре проводящим сплавом галлия и индия. На роторе расположены четыре мягких постоянных магнита, образующие вместе цилиндр. Они также изготовлены из силикона с добавлением намагниченных частиц неодима железа и бора. Магниты вставлены в оболочку из термопластичного полиуретана, внутренняя часть которой покрыта полиэтиленом и графитовой смазкой для снижения силы трения между соприкасающимися подвижными поверхностями. На внешней стороне полиуретановой оболочки расположены мягкие магнитные сенсоры, необходимые для контроля скорости и положения вращающегося ротора с постоянными магнитами. Сенсоры представляют собой магнитные контакты, выполненные в виде гибких проводящих пластин с нанесенным на них слоем из силикона с добавлением углерода для проводимости и микрочастиц самария-кобальта для придания магнитных свойств. Во время вращения пластины сенсоров поочередно отклоняются или притягиваются магнитным полем четырех постоянных магнитов сердечника, размыкая и замыкая контакты. Без нагрузки двигатель может развивать до 4000 оборотов в минуту и выдает крутящий момент до 3 миллиньютона на метр. Максимальная мощность, развиваемая двигателем, составляет 240 милливатт при 2000 оборотах в минуту и моменте силы 1,25 миллиньютона на метр. Вертикальное сжатие на 37,5 процента и радиальное растяжение на 25 процентов практически не влияют на скорость вращения и эффективность мотора. Однако радиальное сжатие более чем на 13 процентов приводит к остановке двигателя из-за возросших сил трения. Кроме этого, сжатие электромагнитных катушек вызывает изменение их сопротивления, которое может быть отслежено по изменению тока и использовано как способ управления состоянием двигателя. Например, нажатие на отдельные катушки можно использовать для выключения или изменения скорости вращения, что и реализовали авторы работы. Для демонстрации возможностей мотора инженеры построили воздушный насос с мягким корпусом, мягкий водяной насос, а также испытали тягу электромотора под водой, прикрепив к ротору мягкий водяной винт. В последнем случае двигатель был установлен на салазки для снижения силы трения, в результате чего он развил скорость 4,4 сантиметра в секунду под действием тяги винта. Также разработчики продемонстрировали что мягкий электромотор может использоваться в конструкциях с жесткими элементами, в тех же задачах что и традиционные электромоторы. Например, мягкий электромотор привел в движение тележку на колесах с помощью приводного ремня и системы из шестерней, а также был использован в качестве двигателя в приводе водяного и воздушного насосов. Ранее мы рассказывали о квадрокоптере SoBAR с мягкой надувной рамой, которая может поглощать энергию удара при столкновении дрона с препятствиями. Благодаря низкой скорости отскока дрон может быстро контроль над полетом после столкновения.