Японцы сделали робозмею с минимальным числом актуаторов

Японские инженеры разработали прототип робозмеи, 30 подвижных суставов которой приводятся в движение только тремя актуаторными модулями. Один из них неподвижен, а два других могут перемещаться внутри тела по направляющим, заставляя корпус изгибаться в нужном направлении. Модули получают питание от беспроводной зарядки через встроенную во внешнюю оболочку катушку. На ровной поверхности робот может ползти со скоростью 2,25 сантиметра в секунду и огибает препятствия, используя их как точку опоры для создания изгибов. Препринт с описанием робота доступен на arXiv.org.

Змееподобные ползающие роботы, как и их живые прототипы, обладают высокой гибкостью, которая позволяет им легко проникать в тесные пространства, преодолевать сложные препятствия и манипулировать предметами с помощью тела. Такие уникальные способности могут пригодиться во время поисково-спасательных операций, в инспекции труднодоступных объектов, и даже в исследовании других планет. Однако, на сегодняшний день большинство существующих прототипов имеет довольно серьезный недостаток: множество приводов в каждом сочленении змееобразного корпуса утяжеляет робота, увеличивает потребление энергии и снижает надежность. Проблема усугубляется еще и тем, что для питания всех этих актуаторов требуется большое количество проводов. Это также увеличивает массу и создает риск их спутывания или обрыва при множественных изгибах, а традиционные подходы к решению этой проблемы, такие как использование скользящих контактов, усложняют конструкцию и не очень надежны.

Проблемой занялись инженеры из Японии под руководством Мотоджи Ямамото (Motoji Yamamoto) из Университета Кюсю. Они разработали механизм изменения конфигурации множества сочленений змееподобного робота с помощью лишь нескольких приводов. Собранный ими прототип робозмеи состоит из последовательности пассивно соединенных друг с другом 30 пластиковых звеньев. Снизу на каждом из них находится пара колес (тоже пассивных). Общая длина вытянутого в линию робота — 60 сантиметров, а его масса — 1,3 килограмма. Внутри корпуса из звеньев проходит пара гибких зубчатых направляющих, по которым могут перемещаться два моторизованных управляющих модуля. Еще один модуль имеет фиксированное положение в хвосте.

Каждый из подвижных модулей оснащен двумя электромоторами, вращение которых передается на шестерни, находящиеся в зацеплении с направляющими. Если моторы крутят шестерни в противоположных направлениях, то модуль начинает перемещаться вдоль направляющих, меняя свое положение относительно корпуса робозмеи. Если же оба двигателя вращаются в одном направлении, то модуль сдвигает направляющие относительно себя в разных направлениях, создавая изгиб тела робота. Такой принцип позволяет перестраивать конфигурацию без необходимости в десятках отдельных приводов для каждого соединения. Фиксированный хвостовой модуль выполняет роль точки опоры для всей конструкции и участвует только в создании изгибов, поэтому оснащен лишь одним мотором.

Для питания модулей используется беспроводная система передачи энергии. Основной ее элемент — гибкая катушка, встроенная в тканевую оболочку, надеваемую поверх корпуса робозмеи. Это тонкая гибкая трубка, заполненная жидкометаллическим проводящим сплавом. Питание поступает от встроенного аккумулятора через преобразователь, создающий переменное электромагнитное поле на частоте 6,78 мегагерц. На каждом модуле в свою очередь установлена приемная катушка, которая улавливает это поле и преобразует его обратно в электрический ток для зарядки небольшого встроенного аккумулятора, от которого питается электроника и двигатели. Таким образом отпадает необходимость в использовании каких-либо проводов или скользящих контактов.

Робот может передвигаться в двух основных режимах. В первом его корпус изгибается по синусоидальной траектории, напоминая движения настоящей змеи. Для этого его подвижные модули последовательно перемещаются внутри корпуса, формируя волнообразные изгибы. Этот режим эффективен для передвижения на ровных участках без препятствий. Второй режим можно использовать, когда роботу необходимо обогнуть препятствие в узком месте. Подвижные модули в этом режиме проталкивают корпус робота вперед, а сами остаются неподвижными относительно поверхности. Препятствие при этом выступает точкой опоры, вокруг которой и образуется изогнутый сегмент.

Во время испытаний в режиме свободного передвижения робот показал максимальную скорость 2,25 сантиметра в секунду, а в режиме обхода препятствий смог протиснуться между тремя цилиндрическими препятствиями. В будущем инженеры планируют добавить роботу возможность изгибаться в трех измерениях, чтобы он смог двигаться не только по плоскости, но и карабкаться вверх. Кроме того, в планах улучшить систему управления, использовав обучаемые алгоритмы и набор сенсоров. Они позволят роботу самостоятельно адаптироваться к различным типам местности и распознавать препятствия.

Ранее инженеры этой группы представили прототип гибкого манипулятора с изменяемой длиной. Робощупальце компактно сворачивается, чтобы не занимать много места, а при необходимости с помощью червячно-реечного механизма выдвигаться почти на полметра, изгибаясь в нужном направлении в трехмерном пространстве.