Скручивающаяся трубка заменила внешний насос в актуаторах

Гонконгские и американские инженеры разработали новую конструкцию актуатора для гидравлических и пневматических роботов. Она состоит из трубки, которая скручивается небольшим мотором, сокращается и выталкивает текучую среду. Актуатор с такой конструкцией автономный и не требует подключения к большому внешнему насосу, но при этом достаточно сильный, чтобы его можно было использовать на практике: роборука на таких актуаторах смогла схватить и поднять бутылку с водой, а также сыграть на пианино. Статья опубликована в журнале Soft Robotics.

Во многих исследовательских проектах по робототехнике используются пневматические актуаторы: они позволяют значительно упростить конструкцию. Например, широко распространена конструкция роборуки, в которой каждый палец состоит из единой полости с выступами. При подаче воздуха в палец эти выступы надуваются и заставляют палец сгибаться. Кроме того, надувающиеся части конструкции используются почти во всех мягких роботах.

Но почти во всех этих проектах для создания давления в камерах используется большой внешний насос. Есть отдельные исключения, например, первый полностью мягкий робот с разлагающимся пероксидом водорода и микрофлюидной логической схемой или компактный насос, ускоряющий жидкость с помощью электрического поля, но они рассчитаны на небольшую силу. Инженеры под руководством Юньцюаня Ли (Yunquan Li) из Университета Гонконга разработали конструкцию актуатора, которая позволяет создавать большое давление при небольшом электромоторе, который легко можно разместить на самом роботе.

Основная часть актуатора состоит из гибкой полимерной трубки, внутри которой находится текучая среда – жидкость или газ. С одной стороны трубка замкнута и прикреплена к электромотору, а с другой открыта и через прикрепленное к ней кольцо-адаптер подключена к другому сосуду – им может быть любая другая конструкция, приводимая в движение с помощью давления.

Актуатор работает благодаря тому, что электромотор может скручивать трубку за счет своего вращения. Это приводит к тому, что трубка уменьшается в длину, а жидкость или газ выталкиваются из ее открытого конца в другой сосуд.

Инженеры решили продемонстрировать актуаторы в деле с помощью роборуки, которая, как и человеческая, состоит из двух основных сегментов и кисти с пятью пальцами. На плечевом сегменте установлен гибридный актуатор из скручиваемой трубки и воздушных мышц. Эти мышцы состоят из надуваемого полимерного сосуда, обернутого в оплетку. При подаче воздуха они увеличиваются в ширину, но это заставляет нити обмотки менять угол, поэтому мышца одновременно с этим уменьшается в длину. Объединение двух актуаторов позволило достичь достаточно высокого усилия при сокращении при использовании воды – 110 ньютонов, а вот при использовании воздуха усилие было меньше. Соотношение усилия к весу у этого актуатора составляет 45,83.

В предплечевом сегменте используются два соединенных между собой скручиваемых актуатора с закрепленным между ними поворотным механизмом. При разнице давлений механизм поворачивается в сторону того актуатора, где давление меньше, а кисть поднимается или опускается. В качестве пальцев используется стандартная конструкция с трубкой, которая с одной стороны ограничена слабо растягиваемым материалом. Из-за этого при подаче воздуха растягиваются все части кроме этой, и палец сгибается. Давление в пальцах также нагнетается с помощью скручивающихся актуаторов, но расположенных в основании руки и связанных с помощью трубок.

Инженеры собрали все элементы в единую роборуку и показали ее возможности на практике, присоединив ее к костюму панды: рука смогла схватить и поднять небольшую бутылку с водой, а также сыграть простую мелодию на пианино, поочередно нажимая на клавиши разными пальцами. Авторы отмечают, что рука двигается не очень плавно, поэтому они уже начали работать над следующей версией, в котором они планируют оптимизировать конструкцию руки, а также добавить сенсоры, чтобы рука могла отслеживать реальное положение всех своих сегментов.

Кроме пневматических и гидравлических роботов существуют также тросовые, в которых натяжение тросов вызывает изгиб конструкций. В прошлом году британские инженеры разработали конструкцию, которая позволяет таким роботам изгибаться в две стороны, но при этом сопротивляться кручению.

Источник: N+1