Инженеры из Австралии разработали биомиметический мягкий манипулятор для роботов, который способен захватывать предметы, обвиваясь вокруг них наподобие щупальца осьминога или хобота слона. Манипулятор сделан из ткани и приводится в действие гидравлическим актуатором. Он может захватывать предметы различной формы, работать с ними в ограниченном пространстве, а также манипулировать хрупкими объектами, благодаря встроенным датчикам давления. Элемент с изменяемой жесткостью в конструкции манипулятора позволяет ему удерживать грузы массой в 220 раз больше собственной, говорится в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials Technologies.
Разработка мягких роботов — популярное и активно развивающееся направление в робототехнике. Благодаря мягким материалам такие роботы могут применяться там, где требуется аккуратное взаимодействие с окружением, например в медицине, при работе с хрупкими предметами или, например, для проведения подводных исследований.
Манипуляторы, которые используются в конструкциях мягких роботов, обычно выглядят как клешни или состоят из нескольких эластичных пальцев, приводимых в движение с помощью гидравлики или пневматики. Однако захваты с такой конструкцией плохо справляются с тяжелыми предметами сложной формы.
Инженеры из Университета Нового Южного Уэльса под руководством Тханя Нхо До (Thanh Nho Do) разработали мягкий манипулятор, лишенный таких недостатков. Он выглядит и работает как щупальце и способен обхватывать предметы, плотно прилегая к их поверхности. Манипулятор состоит из четырех основных компонентов: гидравлического актуатора, тканевой оболочки, датчиков давления и элемента с изменяемой жесткостью.
Конструкция спирального захвата-щупальца
Источник изображения: T. T. Hoang et al. / Advanced Materials Technologies, 2020
Схема удержания предметов захватом и присоединения к руке-манипулятору
Источник изображения: T. T. Hoang et al. / Advanced Materials Technologies, 2020
Гидравлический актуатор, который играет основную роль в работе устройства, представляет собой мягкую растягиваемую силиконовую трубку, вставленную в спираль из рыболовной лески (поливинилиденфторид). При этом внешний диаметр силиконовой трубки чуть больше внутреннего диаметра спирали для большей эффективности актуатора. В качестве рабочей жидкости используют воду. При увеличении давления жидкости внутренняя силиконовая трубка стремится расшириться во всех направлениях, однако катушка из лески ограничивает радиальное растяжение, оставляя при этом возможность удлинения в направлении продольной оси трубки. Одновременно с этим происходит вращательное движение противоположное направлению намотки лески.
Схема актуатора
Источник изображения: T. T. Hoang et al. / Advanced Materials Technologies, 2020
Внешняя оболочка щупальца изготовлена из нескольких слоев ткани, которые сшиваются, образуя каналы для размещения гидравлического актуатора и устройства изменения жесткости. Материал оболочки с одной стороны может растягиваться (например, «спандекс»), а с противоположной использована хлопковая ткань с ограниченной способностью к растяжению. Благодаря этому при деформации находящегося внутри гидравлического актуатора происходит изгиб и закручивание в спираль всего манипулятора-щупальца, и чем выше давление, прилагаемое к актуатору, тем сильнее манипулятор закручивается в спираль (c большим количеством витков).
Для получения в реальном времени информации о давлении, которое манипулятор оказывает на поверхность предмета, разработчики встроили в него мягкие датчики давления. Они выполнены в виде скрученных в спирали силиконовых каналов, которые заполнены жидким эвтектическим сплавом галлия и индия. Деформация каналов под внешним давлением приводит к изменению электрического сопротивления. Датчики располагаются последовательно с одной стороны в нескольких точках вдоль щупальца. Благодаря этому щупальце можно применять для манипулирования хрупкими объектами без опасности их повредить.
Для того чтобы манипулятор мог поднимать и удерживать захваченный груз на весу инженеры оснастили его элементом с изменяемой под действием температуры жесткостью. Он представляет собой трубку из полиэтилентерефталата, внутри которой находится нагревательный элемент — спираль из нержавеющей стали, которая нагревается под действием электрического тока. При нагреве выше пороговой температуры, равной приблизительно 67 градусам Цельсия, материал трубки претерпевает фазовый переход и становится податливым, позволяя придать щупальцу необходимую форму. После отключения нагревателя и охлаждения материал трубки становится жестким, фиксируя форму манипулятора. При токе 0,5 ампер требуется меньше десяти секунд для нагрева устройства до 80 градусов Цельсия.
За счет небольшого размера и расположения нагревательного элемента внутри трубки удается избежать значительного нагрева внешней поверхности манипулятора. А чтобы ускорить охлаждение после выключения нагревателя, в PET-трубку подается поток холодного воздуха температурой 13 градусов Цельсия из устройства, работающего на основе вихревого эффекта Ранка-Хилша. За счет этого удается охлаждать трубку по всей длине с 80 до 50 градусов Цельсия за 11 секунд. На полный цикл нагрева и охлаждения, по словам разработчиков, уходит примерно 24 секунды.
Для оценки способностей нового манипулятора инженеры провели ряд экспериментов с грузами различного веса и формы, которые показали, что манипулятор более эффективен при работе в конфигурации, когда прилагаемая сила направлена перпендикулярно оси, проходящей вдоль спирали скрученного щупальца. В таком положении манипулятор оказался способен захватить и удерживать ящик с инструментами весом 1,8 килограммов, что в 220 раз больше, чем собственный вес устройства (8,2 грамма). Кроме того, за счет способности скручиваться в спираль и обвиваться вокруг предметов, манипулятор может доставать объекты из узких пространств и отверстий, например из высоких цилиндрических полостей, а также манипулировать тонкими продолговатыми предметами, такими как стержни, карандаши, гаечные ключи и отвертки.
Захват удерживает предметы различной формы и веса
Источник изображения: T. T. Hoang et al. / Advanced Materials Technologies, 2020
Примеры удержания предметов разной формы
Источник изображения: T. T. Hoang et al. / Advanced Materials Technologies, 2020
Для надежного захвата, как отмечают разработчики, необходимо, чтобы щупальце обвилось вокруг захватываемого предмета хотя бы один раз, поэтому существует ограничение на размер объекта. Чем больше предмет, тем более длинным должен быть манипулятор.
В будущем разработчики планируют экспериментировать с материалом для модуля изменения жесткости, чтобы снизить энергопотребление и температуру нагрева, а также интегрировать манипулятор с роботизированной рукой с возможностью тактильной обратной связи на основе своих предыдущих разработок. По их оценкам коммерчески доступная технология на основе нового манипулятора может появиться приблизительно через 12-16 месяцев.
Ранее мы рассказывали о корейских инженерах из Университета Корё, которые использовали иной принцип для приведения в действие мягкого робощупальца. Разработанный ими актуатор основан на явлении электроосмоса.
Андрей Фокин