Развитие робототехники в последние годы набирает все больших оборотов, в результате чего появляются новые типы роботов, способные выполнять ранее невозможные для них задачи. Одними из самых любопытных являются мягкие роботы. Их гибкость разительно расширяет спектр применения, а внедрение альтернативных источников питания или приведения в действие позволяет сделать их автономными. Ученые из Университета штата Северная Каролина (США) разработали кольцеобразного робота-канатоходца, способного перемещаться своеобразным образом по канатным дорогам и перемещать груз в 12 раз превышающий его массу. Из чего сделан этот робот, как именно он функционирует, и на что он способен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Природа всегда была одним из самых богатых источников вдохновения для ученых, в том числе и для робототехников. Особое внимание уделялось тому как различные биологические системы перемещаются в пространстве, используя те или иные методы. Это позволило создавать роботов, способных ходить, прыгать, ползать и даже летать.
Изображение №1
Малоизученной в области робототехники, особенно мягкой, является методика локомоции по колее, т. е. по заранее определенному пути. Данный тип движения встречается как в природе, так и в технике. Например, в природе усики растений поднимаются, обвиваясь вокруг опор, используя их в качестве дорожек для роста. В технике транспортные системы, направляемые по дорожкам, такие как трамваи, поезда, фуникулеры и канатные дороги (1A), стали одним из самых распространенных типов транспорта.
Используя заранее определенные маршруты, системы с направляемыми путями обеспечивают точное, но упрощенное управление путем, а также адаптивность для навигации по сложным участкам путем корректировки путей.
Напротив, несмотря на недавний прогресс в области мягких мобильных роботов, достижение контроля траектории остается проблемой из-за непрерывной деформируемости и податливой природы их мягких тел. Присущая гибкость и деформируемость допускают множественные, даже бесконечные, степени свободы (DOF от degrees of freedom), что позволяет использовать широкий спектр конфигураций для повышения адаптивности. Однако эта гибкость усложняет прогнозирование движения, планирование пути и управление. Кроме того, свободные движения мягких роботов весьма восприимчивы к взаимодействиям с окружающей средой и внешним возмущениям.
Движение, направляемое по дорожкам, обеспечивает потенциально многообещающий способ достижения контроля траектории в мягких мобильных роботах, поскольку геометрические ограничения дорожек могут уменьшить количество степеней свободы в деформации и движении, а мягкое тело может позволить адаптивным взаимодействиям между мягкими роботами и дорожками адаптироваться к изменениям дорожки. Тем не менее по-прежнему сложно достичь мягких роботов, направляемых по дорожкам, которые могут автономно следовать предопределенным путям без необходимости внешнего пространственно-временного управления источниками срабатывания.
Для решения этой проблемы недавние исследования показывают многообещающие результаты за счет использования постоянных тепловых или световых полей для индуцирования автономных движений без дорожки и периодического орбитального движения по дорожке или линейных движений. Несмотря на эти достижения, задача достижения автономной пространственной навигации с помощью плоских и пространственных кривых в условиях постоянных тепловых или световых полей остается в значительной степени неисследованной.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые рассказывают о похожем на подвесной трамвай автономном скрученном кольцеобразном LCE (liquid crystal elastomer, т. е. жидкокристаллический эластомер) роботе, способном перемещаться в трехмерном пространстве при постоянном дистанционном фототермическом приведении в действие без необходимости внешнего пространственно-временного управления. Частично скручиваясь и подвешиваясь на нити, кольцеобразный робот автономно перемещается по рельсам при воздействии постоянного инфракрасного (ИК) излучения (1B). Подобно линейному винтовому механизму, кольцеобразный робот использует адаптивное взаимодействие между скрученным мягким кольцом и нитью для преобразования самовращающегося движения в автономное линейное движение с помощью теории винтов. Ученые также исследовали приспособляемость кольцеобразного робота к рельсам, изготовленным из различных материалов, от мягких и гибких до твердых, и разных размеров, от микронных до миллиметровых масштабов. Он также демонстрирует высокие грузоподъемные способности, автономно транспортируя более чем в 12 раз больше собственного веса.
Результаты исследования
На 1B схематически показана конструкция автономного скрученного кольцеобразного LCE робота, похожего на подвесной трамвай. Кольцо изготовлено путем сгибания и склеивания двух концов скрученной ленты LCE. Температура нематико-изотропного перехода синтезированного LCE (TNI) составляет около 80 °C. Робота накручивают на нить (например, тонкую леску) после его скручивания (1B, 1C). Воздействие постоянного ИК-света на скрученную кольцевую плоскость (плоскость y-z) от ИК-излучателя вызывает глобальное самопереворачивающееся вращение вокруг его центральной оси. Это самопереворачивание обусловлено крутящим моментом, вызванным градиентом температуры по всей ширине ленты, где сторона, ближняя к ИК-свету, нагревается больше, сжимаясь больше, чем противоположная сторона. Это похоже на самопереворачивание мягких активных колец на горячей пластине. Однако здесь кольцо самопереворачивается, вися в воздухе без поддержки.
Видео №1
Подобно линейной винтовой системе, локальное контактное взаимодействие между вращающимся скрученным кольцом и прямой нитью преобразует его вращательное движение в линейное движение (1C; видео №1). При воздействии ИК-света кольцо изначально подвергается ускоренному движению, вызванному крутящим моментом и силами трения, вызванными градиентом температуры. Затем оно переходит в устойчивое состояние. Критическое условие для начала движения можно определить, измерив пиковое ускорение.
Как только кольцо достигает устойчивого движения, оно движется по дорожке с почти постоянной линейной скоростью, с небольшими колебаниями из-за прохождения через точку связывания. Хотя трение скольжения близко к нулю, на что указывает стабильный диапазон скоростей, остаются два крутящих момента: один — движущий момент, создаваемый источником нагрева, другой — крутящий момент от трения качения, который эффективно уравновешивается гравитацией.
Непрерывное, автономное, линейное движение в метровом диапазоне по дорожке может быть достигнуто при постоянном фототермическом приведении в действие массива фиксированных ИК-излучателей. Направление движения кольца контролируется его скручивающей хиральностью и направлением падающего света. При падении света вдоль положительной оси x левостороннее (правостороннее) скрученное кольцо вращается по часовой стрелке (против часовой стрелки) вокруг нити, создавая силы трения (f), которые противоположны и касательны направлению вращения кольца, контактирующего с нитью, как показано в результатах моделирования конечно-элементного анализа (FEA от finite element analysis) на 1C-ii.
Видео №2
Для правосторонне скрученного кольца результирующие силы трения направлены к положительной оси y, заставляя кольцо линейно двигаться вправо (1C-ii; видео №2). Результат моделирования FEA согласуется с экспериментами. Изменение направления скручивания или направления света на обратное меняет направление движения (1C).
Автономное преобразование вращательного движения в линейное зависит от нескольких факторов: угла падения (β) относительно плоскости кольца, интенсивности света, определяемой расстоянием (d) между источником света и кольцом, количества завитков вокруг нити (nc) и геометрии скрученного кольца. Для оптимальной производительности с заданной геометрией кольца наибольшая линейная скорость достигается, когда:
- β близок к 0, что означает, что свет перпендикулярен плоскости кольца;
- кольцо расположено на промежуточном расстоянии d от источника света;
- nc равен 1, что означает, что оно завивается только один раз вокруг нити.
При увеличении β от −90° (параллельно плоскости кольца) до 90° кольцо остается неподвижным при β = ±90°, при этом пиковая скорость 2.2 мм/с достигается при β = 0°. Стационарное кольцо при β = ±90° возникает из-за отсутствия градиента температуры по ширине ленты, когда источник света находится прямо над (β = 90°) или под (β = −90°) кольцом.
Аналогично, когда только часть кольца подвергается воздействию света, оно остается неподвижным из-за недостаточного крутящего момента для вращения всего кольца от локализованного нагрева. При увеличении d от 4 до 9 см наибольшее расстояние перемещения достигается на промежуточном расстоянии d = 4 см. Когда d слишком мало, кольцо перегревается из-за высокотемпературного поля, что приводит к стационарному поведению.
Когда кольцо просто висит без завивания, оно демонстрирует хаотическое колебательное движение, вызванное его собственным вращением с низким трением. Это хаотическое движение трансформируется в линейное движение после добавления одного завитка вокруг нити с большим количеством контактов, что позволяет эффективно преобразовывать вращательное движение в линейное. Однако более одного завитка вызывают более высокое предварительное напряжение и трение, значительно замедляя движение кольца. При nc ≥ 3 кольцо легко запутывается в нити, полностью останавливая свое движение. По сравнению с высоким предварительным напряжением, вызванным завиванием, небольшое предварительное напряжение, возникающее в результате сгибания прямой ленты в кольцо, оказывает незначительное влияние на скорость передвижения.
Преобразование вращательного движения в линейное можно просто описать с помощью теории винтов, которая дает линейную зависимость между угловой скоростью (ω) и скоростью линейного движения (v) как:
v = ηωp
где η — эффективность преобразования (при η = 1, что означает отсутствие проскальзывания), а p — шаг винта. Угловая скорость (ω) скрученного кольца зависит от градиента температуры по кольцу, вызванного фототермическим облучением, и геометрии кольца, характеризуемой радиусом кольца (r), шириной ленты (w) и числом скручивания (N). Для кольца, подвергаемого воздействию перпендикулярного ИК-света на расстоянии d, ω масштабируется как:
ω ∝ Nκα / [arcsin h(Nwκ)d2]
где α — коэффициент теплового расширения материалов LCE. Это указывает на то, что ω увеличивается по мере уменьшения r, w и d и увеличения N. Таким образом, более высокая линейная скорость ожидается для скрученного кольца с меньшим радиусом, большим количеством скручиваний и более тонкой лентой при более коротком расстоянии облучения.
Это согласуется с экспериментальными результатами, показанными на 1E, 1F. На 1E показано, что ω немного увеличивается с ≈0.36 до ≈0.40 рад/с по мере увеличения N с 6 до 12 при d = 10 см и w = 3 мм.
В отличие от отчетливых свободных движений, наблюдаемых в кольцевых актуаторах LCE на основе лент Мёбиуса или Зейферта с четными или нечетными числами витков, четность витков в кольце не влияет на его угловую скорость переворачивания и, следовательно, на скорость линейного движения. Это происходит потому, что собственное движение висящего витого кольца ограничивается дорожкой из-за его закручивания вокруг нити. По сравнению с числом витков ширина ленты и расстояние облучения показывают более выраженные эффекты (1E, 1F). Например, при увеличении w от ≈1.2 до ≈4 мм ω уменьшается от ≈0.62 до ≈0.34 рад/с при d = 10 см и N = 9 (1F). Аналогично, увеличение d от ≈6 до 12 см приводит к падению ω от ≈0.92 до ≈0.45 рад/с при w = 1.2 см и N = 9 (1F).
Изображение №2
Аналогичное автономное преобразование вращательного движения в линейное может быть достигнуто на прямых дорожках в диапазоне от микрометровых до миллиметровых масштабов, изготовленных из различных полимерных и металлических материалов (видео №3).
Видео №3
На 2A и 2B показано, что при замене лески (диаметр D = 0.27 мм) либо на микромасштабные нити, такие как человеческий волос (D = 34 мкм), либо на миллиметровые дорожки, такие как пластиковая трубка с D = 2.92 мм, что близко к ширине ленты (w = 3 мм), мягкий робот способен самостоятельно перемещаться как по человеческим волосам (2A-i), так и по большим пластиковым трубкам (2A-iii) со средними скоростями 4.2 мм/с и 2.8 мм/с соответственно. Аналогичное движение наблюдается на металлических нитях, таких как стальная проволока субмиллиметрового размера (2A-ii, 2B). Испытания на трение показывают, что линейная скорость (v) кольца (2B) следует той же тенденции, что и измеренные силы трения ffriction между материалом LCE и дорожками, изготовленными из разных материалов. Это показывает, что v уменьшается по мере увеличения ffriction, при этом кольцо достигает самой высокой скорости на леске из-за своей минимальной силы трения и самой низкой скорости на пластиковой трубке из-за своей максимальной силы трения (2B).
Видео №4
Гибкость вращающегося скрученного кольца позволяет ему самостоятельно адаптироваться к дорожкам с резкими изменениями диаметра, например, к местам с узлами, что позволяет ему автономно преодолевать препятствия, не застревая. На 2C показана стальная проволочная нить с двумя узлами, расположенными вдоль дорожки, каждый из которых имеет одинаковый размер, но зеркальную ориентацию с противоположными концами. Узел № 1 имеет нижний левый конец, в то время как узел № 2 имеет более высокий левый конец, создавая большее сопротивление. Когда мягкое кольцо сталкивается с этими узлами и проходит через них, оно адаптируется, вращая свое скручивающееся мягкое тело вокруг препятствий, успешно преодолевая как нижний, так и верхний концы (видео №4).
Видео №5
Более того, мягкое кольцо способно автономно переносить и транспортировать грузы по дорожке (видео №5). При переноске грузов на его дне мягкое кольцо, подвешенное на леске (D = 0.27 мм), деформируется в овальную форму из-за силы тяжести груза (2D). Несмотря на эту деформацию и вызванное этим уменьшение линии контакта с нитью, мягкое кольцо продолжает самостоятельно перемещаться по дорожке, транспортируя объект автономно. Однако скорость транспортировки резко снижается по мере увеличения веса груза (2E). Например, скорость падает с 8 мм/с (без груза) до 1.35 мм/с при переноске груза массой 5.52 г, что в 12 раз больше собственного веса кольца, в результате чего кольцо деформируется в перевернутую треугольную форму под тяжелым грузом (2D). Дальнейшее увеличение веса груза приводит к большему сопротивлению, что затрудняет транспортировку.
Изображение №3
Далее ученые изучили автономную навигацию скрученного кольца в двумерном пространстве при постоянном фототермическом воздействии, включая подъем по склонам и движение по плоским кривым различной формы.
На 3A показана фронтальная установка наклонных дорожек (плоскость y-z) с зеркально отраженными положительными и отрицательными углами наклона (γ). Гравитация действует вниз вдоль отрицательной оси z. При воздействии постоянного ИК-света вдоль положительной оси x (направление наружу) правостороннее скрученное кольцо может автономно подниматься по дорожкам с различными положительными углами наклона, преодолевать гравитацию и даже подниматься по склонам крутизной до 80° (видео №6).
Видео №6
Когда угол наклона становится отрицательным, то же самое скрученное кольцо автономно движется вниз по склонам с углами до −80°. Подобно двунаправленному движению по горизонтальным дорожкам, изменение либо хиральности скручивания, либо направления падения света переключает его восходящее или нисходящее направления. Измерения движения как по положительным, так и по отрицательным наклонным дорожкам указывают на приблизительно линейную зависимость между смещением перемещения и временем (3B, 3C), что отражает почти постоянную линейную скорость. Как и ожидалось, скорость нисхождения значительно выше скорости восхождения из-за гравитации. На 3D показано, что при уменьшении γ от 0° до −80° скорость резко возрастает с ≈4.8 до ≈12.5 мм/с, ускоряясь гравитационной составляющей вдоль дорожки (mg sinγ, где m — масса кольца, а g — ускорение под действием силы тяжести). И наоборот, при увеличении γ от 0° до 80° скорость резко падает с ≈4.8 до ≈1.7 мм/с, поскольку кольцо преодолевает силу тяжести mg sinγ при подъеме.
Способность автономно подниматься и спускаться по крутым дорожкам с углами до 80° объясняется эффектом закрепления скрученного кольца, обвитого вокруг нити, что подчеркивает преимущество мягких роботов с направляющими для решения сложных задач, таких как вертикальный подъем или спуск. По сравнению с теоретическими предсказаниями скорости линейного движения, полученными из измеренной угловой скорости с помощью теории винтов, измеренная скорость нисходящего движения немного выше, а скорость восходящего движения немного ниже. Это расхождение объясняется проскальзыванием, вызванным гравитацией, как при подъеме, так и при спуске, как показано небольшими возмущениями в кривых смещения-времени на 3B и 3C, в то время как теория винтов предполагает отсутствие проскальзывания.
Проскальзывание ускоряет спуск кольца, но замедляет его подъем. В дополнение к гравитации, сила трения также играет важную роль на восходящих и нисходящих склонах. По мере того как γ увеличивается от −80° (спуск) до 80° (подъем), начальная скорость вращения кольца резко уменьшается с ≈0.55 до ≈0.08 рад/с. Для того же скрученного кольца на нити силы трения всегда примерно совпадают с направлением движения кольца. Таким образом, при подъеме сила трения должна преодолевать силу тяжести и тем самым замедлять линейную скорость, тогда как при спуске составляющая силы тяжести выравнивается с силой трения для ускорения.
Изображение №4
На 4A и 4B показана автономная навигация робота по горизонтальным плоским дорожкам в трех репрезентативных геометрических формах, включая круглую, пятиугольную и U-образную, при постоянном фототермическом приведении в действие (с массивом фиксированных ИК-излучателей, расположенных на расстоянии 5 см от дорожки, и стальными проводами, используемыми в качестве дорожек). В отличие от линейных дорожек, навигация по круговой дорожке требует непрерывной корректировки направления из-за кривизны. На 4A показано, как мягкий робот (радиус r = 2 см) успешно преобразует вращательное движение в автономное орбитальное движение по круговой дорожке (радиус R = 6.5 см, R/r = 3.25) (видео №7), адаптируясь к кривизне посредством взаимодействия между скрученным мягким телом и дорожкой, что также хорошо отражено соответствующим FEA моделированием (видео №7).
Видео №7
Навигация по полигональным дорожкам, таким как пятиугольник, представляет собой дополнительные проблемы из-за резких изменений направления и малого радиуса поворота в каждой вершине (4B, 4C), что приводит к большому энергетическому барьеру. На 4B показано, что робот успешно проходит поворотные точки пятиугольной дорожки, используя спонтанное локальное защелкивание для преодоления энергетического барьера (4C; видео №8). В каждой вершине мягкое кольцо локально раскручивается, сохраняя упругую энергию (4C-iii), которая затем быстро высвобождается, чтобы защелкнуться мимо точки поворота и облегчить навигацию.
Видео №8
Для оценки приспособляемости робота к плоским кривым с различной кривизной и резкими изменениями угла была разработана U-образная дорожка с регулируемым радиусом поворота R (4D). U-образная дорожка имеет угол поворота φt = 180°. Как и ожидалось, меньший радиус поворота требует большего усилия приведения в действие, что затрудняет самостоятельный поворот. Экспериментальные результаты показывают, что для U-образной дорожки при уменьшении отношения радиуса поворота R к радиусу кольца r, т. е. R/r, с 5 до 1 скорость уменьшается с 4 до 2 мм/с (4E). На 4F суммирован максимальный угол поворота φt-max как функция R/r, где R/r представляет собой минимальный радиус поворота для самостоятельной навигации на заданный угол. При R/r = 1, φt-max = 360°, что указывает на то, что кольцо может автономно перемещаться по полной окружности. При уменьшении R/r до 0.2 робот все еще может перемещаться по U-образной дорожке малого радиуса, при этом φt-max падает до 180° (4F). Дальнейшее уменьшение R/r приводит к прогрессивному уменьшению φt-max. При чрезвычайно малом радиусе поворота R/r = 0.01 φt-max уменьшается до 100°, что соответствует нижнему пределу для угла перехода 80° в полигональной дорожке.
Изображение №5
Дополнительно ученые изучили возможности автономной навигации робота в более сложном трехмерном пространстве как по стационарным, так и по динамически изменяющимся пространственным кривым при постоянном фототермическом приведении в действие. Гравитация действует вниз вдоль отрицательной оси z. На 5A-i показана простая ступенчатая пространственная кривая из стальной проволоки, состоящая из горизонтальной нити и наклонной нити с углом наклона 50°, где две нити смещены вдоль оси x, а не в одной плоскости y-z. Робот успешно переходит с горизонтальной на наклонную дорожку с помощью защелкивания, вызванного раскручиванием (5A-iii), а затем автономно поднимается по склону (5A; видео №9).
Видео №9
Была продемонстрирована автономная навигация робота по более сложной трехмерной спиралевидной жесткой дорожке, которая имеет изменяющиеся радиусы кривизны и кручения (5B-i). Мягкий робот самоадаптируется, спускаясь по спирали, несмотря на изменяющиеся кривизны и кручения. Двигаясь через впадину волны, робот автономно регулирует положение своего тела, наклоняя плоскость кольца, чтобы приспособиться к изменениям кривизны, затем поднимается по скрученной кривой (5B-ii–iv; видео №10).
Видео №10
Примечательно, что для подъема по спирали расстояние закручивания между кольцом и нитью спонтанно удлиняется, увеличивая площадь взаимодействия для обеспечения большего продвижения и преодоления гравитации (5B-iii). После достижения гребня волны и спуска расстояние закручивания автономно сокращается (≈10%) из-за помощи гравитации (5B-iv). Это также отражено в соответствующем результате FEA моделирования (видео №10).
Наконец, помимо жестких, фиксированных пространственных изогнутых дорожек, была исследована приспособляемость робота к более сложной, гибкой и свободной 3D криволинейной дорожке с динамически изменяющимися в реальном времени формами и кривизной. Трек вогнутой формы представляет собой самоподвешивающуюся полимерную нить (леску) с двумя концами на одинаковой высоте вдоль оси z, но смещенными вдоль оси x (5C-i). В отличие от жестких треков, свободный, гибкий трек деформируется под весом мягкого кольца (5C-ii). Когда кольцо движется, его гравитационная сила действует как динамически движущаяся нагрузка, пространственно-временно изменяя форму трека как локально, так и глобально, создавая уникальную задачу для мягких роботов. Было показано, что преобразование вращательного движения робота в линейное также работает на этой свободной, гибкой дорожке, поскольку он динамически адаптируется к изменениям формы трека, автономно спускаясь и поднимаясь по кривой (5C-ii–iv; видео №11).
Видео №11
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о созданном ими роботе. Этот мягкий робот обладает необычной кольцеобразной формой и способен автономно перемещаться по установленным дорожкам, как по канатной дороге.
Робот был изготовлен из ленточных жидкокристаллических эластомеров, которые скручивались вокруг центральной оси, а затем их концы соединялись для формирования кольца. Затем этого робота подвешивали на нить, обматываясь вокруг нее несколько раз.
При воздействии инфракрасного света, который расположен перпендикулярно дорожке, часть ленты, поглощающая больше всего света, сжимается, а другая сторона ленты наоборот вытягивается, что вызывает вращательное движение. Затем стороны ленты фактически меняются местами и цикл повторяется.
Опыты показали, что данный робот мог автономно перемещаться по дорожкам разной толщины и материала. Робот мог успешно преодолевать препятствия (узлы или выпуклости), двигаться вниз и вверх, а также переносить груз в 12 раз превышающий его вес. Дополнительно было показано, что робот может успешно проходить сложные маршруты (кривые, круговые, спиральные, с резкими поворотами и т. д.).
В будущем ученые намерены заняться совершенствованием данного робота, а также поиском альтернативных методов его активации, таких как солнечный свет.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
