Робот-прыгун подпрыгнул на ветке

Американские инженеры исследовали особенности управления прыжками роботов-прыгунов с гибких поверхностей. Для этого они построили математическую модель робота-прыгуна на основе механизма активации пружины с помощью защелки. Для валидации результатов, полученных на численной модели, инженеры изготовили физическую модель робота массой четыре грамма, которую затем испытали в прыжках с искусственных подпружиненных опор, а также с веток дерева. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.

Помимо роботов, которые могут ездить, ходить или летать, инженеры работают над созданием прыгающих роботов. С помощью прыжков они способны преодолевать высокие препятствия без больших затрат энергии. Особенно полезным этот способ передвижения может оказаться для космических роботов, предназначенных для исследований небольших небесных тел с низкой гравитацией и сложным рельефом, таких как астероиды или Луна. Например, в 2018 году прыгающий робот MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) был успешно доставлен на поверхность астероида Рюгу японской межпланетной станцией «Хаябуса-2»

Многие из разрабатываемых сегодня роботов-прыгунов предназначены в основном для передвижения по жестким поверхностям. Особенности управления их движением уже достаточно хорошо изучены. Однако в окружающем нас мире существует множество подвижных гибких поверхностей, управление движением по которым с помощью прыжков исследовано недостаточно подробно. Особенно это касается случая роботов с небольшой массой.

Примеры таких поверхностей легко можно найти в природе. Например, трава, ветки деревьев и листья, которые служат естественной средой обитания для многих животных, передвигающихся прыжками. Поэтому изучение особенностей поведения миниатюрных роботов-прыгунов на подобных гибких упругих субстратах помогло бы лучше понять, к примеру, как кузнечики контролируют высвобождение энергии во время прыжка, и как на это влияет упругость подвижной поверхности, от которой происходит отталкивание.

Существующий пробел в знаниях решили устранить инженеры из США под руководством Сары Бергбрейтер (Sarah Bergbreiter) из Университета Карнеги-Меллона. Они построили модель, описывающую прыжок с помощью механизма с защелкой, управляющей срабатыванием пружины (latch-mediated spring actuation). Этот механизм включает два ключевых элемента – запорную защелку и упругий элемент, в качестве которого выступает пружина.

Упругий элемент накапливает потенциальную энергию, а запорная защелка служит управляющим элементом. Она удерживает пружину до момента, когда нужно совершить прыжок, после чего отпирается и освобождает пружину. Происходит резкий толчок, набор скорости за короткий промежуток времени и отрыв от поверхности, на которой находился прыгун. Схожий механизм используется маленькими животными, например, кузнечиками и блохами, позволяя им прыгать на большие расстояния.

В модели, построенной авторами исследования, механизм робота-прыгуна и поверхность, от которой происходит отталкивание, представлены наборами из грузов и пружин с заданными массами и коэффициентами жесткости. Массу робота считают незначительной, поэтому воздействием силы гравитации пренебрегают. Защелка в модели прыгуна удерживает пружину с сжатом состоянии. При повороте защелки она отпирает пружину, и та разжимается. При этом радиус закругления торца защелки и скорость ее вращения выступают параметрами, влияющими на скорость работы механизма в целом. Например, если защелка имеет прямоугольную форму, то механизм срабатывает с максимальной скоростью, а закругленная форма позволяет «отпускать» пружину с задержкой.

Можно сказать, что запор управляет передачей энергии между прыгуном и поверхностью, от которой он отталкивается. При этом эффективность прыжка зависит также от параметров поверхности. В представленной модели поверхность описывается в виде платформы на пружине, а результат прыжка определяется соотношением масс прыгуна и платформы и отношением коэффициентов жесткости их пружин. Если платформа слишком тяжелая, а пружина слишком жесткая, то большая часть потенциальной энергии прыгуна переходит в его собственную кинетическую энергию, как если бы прыжок происходил с твердой поверхности.

Наоборот, если платформа слишком легкая и податливая, то прыгун тратит почти всю запасенную энергию на ее деформацию, практически не ускоряясь. В промежуточном же случае, когда коэффициент жесткости пружины платформы довольно большой, но она сама при этом имеет небольшую массу по сравнению с массой прыгуна, при прыжке часть переданной ей энергии она возвращает обратно за счет быстрого отскока – платформа подталкивает прыгуна в направлении прыжка. На результат прыжка также влияет то, как быстро разжимается пружина – слишком быстрое срабатывание приводит к тому, что прыгун отрывается от подвижной опоры слишком рано и не успевает получить обратно часть энергии, затраченной на ее деформацию.

Для проверки результатов, полученных на модели, авторы исследования построили физическую модель робота-прыгуна массой четыре грамма. Защелка изготовлена методом 3D печати из PLA пластика. Основанием рамы служит карбоновый двухмиллиметровый стержень, который также играет роль оси для взводимой вручную пружины. Нога робота выполнена из карбоновых стержней в виде крестовины.

Поворот защелки осуществляется через трансмиссию из двух пластиковых шестерней с помощью небольшого электромотора, напряжением на котором можно регулировать скорость открытия защелки. Искусственное упругое основание в экспериментах состояло из устанавливаемых на пружины с разным коэффициентом жесткости платформ разной массы, вырезанных из акрила или изготовленных с помощью трехмерной печати. Для эксперимента в натуральных условиях была выбрана ветка кустарника пиериса японского, на конце которой закрепили пластиковую платформу для установки модели робота.

В результате моделирования и опытов с физическим прототипом, авторы пришли к выводу, что для того чтобы робот мог подстраиваться под различное окружение, необходимо использовать компромиссный вариант защелки с закругленной формой, которая вместе с механизмом поворота с изменяемой скоростью обеспечивает больший диапазон задержек. Такой вариант конструкции немного снижает эффективность на твердых поверхностях, но дает большую эффективность в случае прыжков с гибких опор.

При разработке новых роботов, инженеры часто заимствуют у природы принципы работы механизмов. Но иногда наоборот, постройка роботов необходима для того чтобы понять как передвигаются животные или работают их отдельные органы. Например, биологи и инженеры из Кореи и США детально изучили все этапы прыжка ногохвосток вида Isotomurus retardatus. Они выяснили, что огромную роль в отрыве, полете и приземлении играют органы коллофоры, торчащие из брюшка животного. Для того чтобы проверить построенные модели, исследователи изготовили робота, который показал сопоставимую эффективность.