Робота с изогнутыми cкладками на гибких боках научили ползти на свет

Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023.

Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей.

Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение.

Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки.

В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота.

В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad.

Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении.

В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию.

А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.