Фрактальная роборука на основе патента 1913 года надежно обхватила яйца и банан

Американские инженеры, опираясь на чертежи тисков для зажима предметов из патента 1913 года, создали захват для роботов, который получил название «фрактальная рука». Благодаря кинематике механизма, обладающего свойством самоподобия — повторения одинаковых элементов уменьшающегося размера, — захват может надежно обхватывать предметы сложной формы. Препринт доступен на arXiv.org.

Одна из давних проблем робототехники связана с созданием простого универсального захвата, который бы мог одинаково эффективно брать предметы разной прочности и формы. Классический параллельный захват, состоящий из двух пластин, которые смыкаются на предмете, может быть недостаточно надежным, когда речь идет о взаимодействии с предметами сложной формы. Кроме того, он может запросто повредить объект, если тот окажется слишком хрупким.

Обе эти проблемы обычно пытаются решить с помощью внедрения более продвинутых сенсоров и алгоритмов, определяющих необходимые усилия, которые нужно приложить к захватываемому объекту. А также с помощью дополнительных конструктивных элементов из мягких материалов, которые увеличивают площадь соприкосновения с объектом взаимодействия, как, например, в разработке компании Toyota.

Инженеры Малкольм Тисдейл (Malcolm Tisdale) и Джоел Бердик (Joel W. Burdick) из Калифорнийского технологического института предложили альтернативный вариант решения этой задачи. Они создали робозахват, который назвали фрактальной рукой — он способен с помощью только одного актуатора надежно обхватывать предметы сложной формы. За основу взяли конструкцию тисков для зажима предметов, которая описана австрийцем Паулином Кунце в патенте 1913 года. Конструкция тисков состояла из вложенных друг в друга полукруглых металлических элементов уменьшающихся размеров, каждый из которых мог вращаться индивидуально относительно остальных, образуя контур, повторяющий форму зажимаемого предмета.

Инженеры переработали оригинальную металлическую конструкцию, заменив тяжелые полукруглые элементы, требующие смазки и подверженные засорению, на выполненные с помощью 3D-печати пластиковые трапециевидные рамки, соединенные упругими элементами. Также, как и на чертежах оригинала, механизм обладает свойством самоподобия — по сути он представляет собой бинарное дерево из последовательности уменьшающихся в размерах трапеций, которые связаны друг с другом через подвижные упругие соединения. На концах последнего уровня установлены контактные площадки, покрытые мягким материалом для улучшения сцепления с поверхностью обхватываемого предмета.

Используя несколько элементов с такой кинематикой инженеры собрали двумерный захват, который состоит из двух половин, на каждой из которых установлены по два отдельных фрактальных пальца — элементов с восьмью контактными площадками на концах. Для срабатывания захвата его половины сдвигаются друг к другу с помощью единственного актуатора, смыкаясь на расположенном между ними предмете. При этом контактные площадки на пальцах самостоятельно ориентируются и выстраиваются по контуру предмета, надежно его обхватывая. После раскрытия, благодаря упругим элементам в осях соединений, элементы захвата самостоятельно возвращаются в исходное состояние.

Каждый трапециевидный элемент механизма может поворачиваться в диапазоне ±45 градусов, при этом последний уровень с контактными площадками может отклоняться на углы в диапазоне ±90 градусов. Это позволяет фрактальной роборуке обхватывать предметы со сложной формой. Например, инженеры успешно испытали ее на яйцах, банане, кружке, кубике Рубика, ножницах, гаечном ключе и гантели.

В будущем авторы планируют создать более сложную трехмерную модель захвата с большим числом вложенных уровней. Это позволит обхватывать предметы со сложной поверхностью с нескольких сторон. Кроме того, такое устройство можно будет использовать в роли самоадаптирующейся к поверхности робоноги.

Робозахваты из мягких материалов более приспособлены для работы с предметами сложной формы. Например, захват в виде щупальцев, разработанный американскими инженерами, представляет собой несколько полых трубок, которые при подаче воздуха закручиваются вокруг объекта и могут захватывать предметы разной формы.