Современные общества полагаются на робототехнику для выполнения огромного спектра функций, жизненно важных для бесперебойной работы промышленных производственных систем, а также для других секторов, таких как строительство, здравоохранение и транспорт.
Однако основным ограничением большинства роботов является тот факт, что они могут выполнять только одну повторяющуюся задачу, например, выбрать предмет из бункера и поместить его на конвейерную ленту или сверлить отверстия в соответствии с заданным шаблоном.
Признавая это ограничение, исследователи в новой области адаптивной робототехники сосредотачивают свое внимание на том, как роботов можно сделать более адаптируемыми, и используют принципы машиностроения для создания передовых устройств, способных перестраивать себя для выполнения ряда различных функций. Например, многоцелевой беспилотник, используемый для проверки энергетической инфраструктуры, такой как морские нефтяные платформы или ветряные турбины, может быть оснащен технологией захвата, которая позволяет ему садиться на конструкции и проводить более тщательный анализ при сильном ветре, а также гидроизоляционными возможностями и технологией движения, которая позволяет ему проводить осмотр фундамента под поверхностью океана.
Итак, какие технологии и технологии машиностроения используются в рамках этой работы? Каковы основные текущие и потенциальные применения адаптивной робототехники? И каких инноваций и тенденций в использовании систем машиностроения для технологий адаптивной робототехники мы можем ожидать в течение следующих нескольких лет?
Реконфигурация
Одна из наиболее интересных недавних инициатив в этой области выдвинута в Государственном университете штата Колорадо (CSU), где команда исследователей создала несколько небольших и легких роботов, способных переконфигурировать себя в соответствии с различными требованиями пользователей. Как объясняет руководитель проекта доктор Цзяньго Чжао, доцент лаборатории адаптивной робототехники в CSU, его работа в этой области делится на три основные категории, в зависимости от используемых сил приведения в действие.
Первая – это реконфигурация с помощью искусственных мышц , которая включает в себя исследование того, как использовать недорогую искусственную мышцу, изготовленную из бытовых швейных ниток, чтобы изменить форму данного робота. Это привело к созданию ссылки, которая может перемещаться и удерживаться в другой форме без дополнительных затрат энергии.
Вторая категория работ исследует, как использовать материалы с переменной жесткостью для перенастройки функций данного робота. Ученик Jiefeng Sun создал адаптивного шагающего робота, который может достигать нескольких траекторий ног.
Третья категория исследует, как можно использовать новые пассивные механизмы, позволяющие летающим роботам садиться на стены, линии электропередач или потолки. Ученик Хайцзе Чжан разработал робота, оснащенного пассивным и гибким захватом .
Чтобы задействовать таких адаптивных роботов, Чжао показывает, что он принял ряд передовых технологий машиностроения, включая конструирование механизмов и машин, автоматизированное проектирование, аддитивное производство (3-D печать), кинематическое и динамическое моделирование, анализ методом конечных элементов и мехатроника. Одним из примеров является миниатюрный шагающий робот, созданный командой с использованием многослойной трехмерной печати, технологии, способной печатать как мягкие, так и жесткие материалы в одной детали.
«В этом роботе мы использовали мягкий материал, который служил в качестве гибких вращательных соединений, и жесткий материал, который служил связующим звеном. В этом случае мы можем напечатать корпус и четыре ножки для робота как одну деталь без сборки» – говорит Чжао.
Кроме того, чтобы проанализировать поведение такого робота, мы создали кинематические и динамические модели для прогнозирования траекторий ног и сравнили их с экспериментальными результатами. Наконец, мы использовали встроенную систему с микроконтроллерами и беспроводную связь для управления роботом.
По мнению Чжао, маленькие роботы этого типа имеют много преимуществ по сравнению с более крупными и тяжелыми роботами. Например, они могут получить доступ и перемещаться в узких или стесненных условиях, в которые не могут войти большие роботы. По его словам, они также могут быть изготовлены при гораздо меньших затратах с использованием аддитивного производства.
Несмотря на эти явные преимущества, Чжао признает, что роботам меньшего размера часто бывает сложнее передвигаться во многих средах. Чтобы решить эту проблему, он говорит, что лучше оснастить их множественными возможностями передвижения, такими как ходьба, ползание, прыжки или полет, используя специализированный механизм для каждой функции.
«Тем не менее, сложно объединить несколько специализированных механизмов с отдельными приводами в небольшой размер, и зондирование, вычисления и управление также требуют больших усилий. В этом случае, вместо специализированного механизма для каждой функции, новое решение заключается в создании адаптивных роботов, которые могут перенастроить себя в ответ на потребность», – говорит Чжао.
Жук – щелкун
В другом месте, команда исследователей из Университета Иллинойса проводит новаторские исследования движения жуков-щелкунов, чтобы вдохновить более гибких и адаптивных роботов. В рамках этой работы команда использовала синхротронное рентгеновское излучение на усовершенствованном источнике протонов в Аргоннской национальной лаборатории, чтобы исследовать механизм внутреннего защелки или быстрого высвобождения насекомого, и продемонстрировала, как сочетание морфологии и механики шарнира способствует уникальной щелкающий механизм.
Как объясняет Эйми Висса, доцент кафедры механики и инженерии и руководитель лаборатории адаптивной морфологии, созданной на основе био-технологий в Университете Иллинойса, Урбана-Шампейн, исследование основано на работе, посвященной изучению механизма самоконтроля безжалостных прыжков жуков. В рамках этого упражнения команда создала прототипы пружинного устройства в виде петель, которые встраиваются в робота.
Вместо того, чтобы полагаться на свои ноги, жуки-щелкуны прыгают, сгибая все свое тело, находясь в перевернутом положении. Во время этой фазы, получившей название «сгибание тела», насекомое накапливает энергию перед тем, как выпустить ее в почти вертикальный прыжок – действие, которое также помогает жуку саморегулироваться, если он попадает в перевернутое положение. Исследуя физику существа в прыжке, команда из Иллинойса смогла разработать автономного самовосстанавливающегося робота, уделив особое внимание законам масштабирования между видами жуков и влиянию массового соотношения насекомых на его прыжок.
«Мы быстро поняли, что жуки-щелкуны принадлежат к классу организмов, которые используют стратегии движения с усиленной мощностью, они используют упругие элементы для накопления энергии и высвобождения ее с гораздо большей скоростью, чем мышцы. Меня заинтересовала возможность использования такие стратегии приведения в действие для разработки маленьких роботов, которые более гибки, могут восстанавливаться после падений и способны к быстрым маневрам », – говорит Висса.
Снимая жуков с высокоскоростными камерами, команда Иллинойса обнаружила, что их прыжок можно разделить на три этапа: этап перед прыжком, этап взлета и этап полета. Как часть стадии перед прыжком, насекомое сгибает свое тело и поддерживает положение за счет трения, сохраняя энергию. Находясь в контакте с землей, он начинает выделять энергию во время взлета, продвигая свой центр масс вверх. Во время последующей воздушной стадии он срывается в воздух, отслеживая общую траекторию, которая следует за баллистическим движением, когда отдельные единицы тела вращаются вокруг центра масс. Используя данные видео с живых жуков, Висса и ее команда также разработали две динамические модели фазы взлета и воздушной фазы.
Во время фазы взлета существо также моделировалось как механизм ползунка, который приводится в действие в точке шарнира, а лагранжева динамика использовалась как часть предварительной двухмассовой модели для моделирования вращательного и поступательного движения, наблюдаемого насекомое в воздухе.
«Эти стратегии передвижения полезны в качестве вдохновения для новых техник приведения в действие для таких приложений, как робототехника и сельское хозяйство», – говорит Висса.
Многоцелевые роботы
Чжао предсказывает, что у маленьких адаптивных роботов будет много многообещающих применений, начиная от мониторинга окружающей среды и военного наблюдения до поиска и спасания в зонах бедствий. Он также ожидает, что небольшой размер обеспечит низкую стоимость и экономичность производства, открывая возможность их развертывания для конкретных нишевых приложений и автоматически формирует мобильные сенсорные сети и совместно работает для выполнения поставленных задач.
Несмотря на это, Чжао подчеркивает, что для адаптации роботов необходимо преодолеть две основные проблемы. Во-первых, необходимо ускорить процессы реконфигурации, чтобы добиться того, что он описывает как реконфигурацию в реальном времени. Процесс реконфигурации для роботов CSU обычно занимает несколько минут, потому что команде нужно нагреть и охладить компоненты, используемые для реконфигурации. Это является проблемой, потому что в некоторых приложениях, таких как изменяющиеся крылья для летающих роботов, крылья должны менять свою форму в реальном времени, чтобы справляться с различными аэродинамическими ситуациями.
Во-вторых, Чжао говорит, что исследователи все еще должны создать фундаментальную и теоретическую основу для адаптивных роботов. Если мы хотим выполнить несколько желаемых конфигураций, как мы должны правильно спроектировать робота, а также указать стратегию реконфигурации? Четкого ответа нет.
В попытке решить первую проблему, Чжао объясняет, что исследователи могут использовать новые материалы, которым требуется меньше энергии для изменения жесткости, такие как сплавы с низкой температурой плавления, которые переходят из жесткого состояния в мягкое состояние при более низких температурах. Чтобы решить вторую задачу, он показывает, что ученые могут разработать теоретические основы для прогнозирования всех возможных реконфигураций для данного проекта, а затем использовать вычислительное моделирование для синтеза проекта для достижения желаемых конфигураций.
«Заглядывая в будущее, я думаю, что мы сможем создать адаптивных роботов, которые могут иметь все виды возможностей, таких как ходьба, полет, плавание или скалолазание, в ближайшие несколько лет. Это может быть достигнуто путем использования огромного выбора цифровых материалов, предназначенных для изготовления адаптивных роботов и миниатюризации различных мехатронных компонентов, например датчиков, исполнительных механизмов и микроконтроллеров, а также высокоточного моделирования механических систем с разнородными материалами, особенно для роботов сделанных из мягких материалов.
