Австралійці створили гідравлічне робощупальце

Інженери з Австралії розробили біоміметичний м'який маніпулятор для роботів, який здатний захоплювати предмети, обвиваючись навколо них на зразок щупальця восьминога або хобота слона. Маніпулятор зроблений з тканини і приводиться в дію гідравлічним актуатором. Він може захоплювати предмети різної форми, працювати з ними в обмеженому просторі, а також маніпулювати крихкими об'єктами, завдяки вбудованим датчикам тиску. Елемент зі змінюваною жорсткістю в конструкції маніпулятора дозволяє йому утримувати вантажі масою в 220 разів більше власної, йдеться в статті, опублікованій в журналі.

Розробка м'яких роботів - популярний напрямок у робототехніці, що активно розвивається. Завдяки м'яким матеріалам такі роботи можуть застосовуватися там, де потрібна акуратна взаємодія з оточенням, наприклад в медицині, при роботі з крихкими предметами або, наприклад, для проведення підводних досліджень.

Маніпулятори, які використовуються в конструкціях м'яких роботів, зазвичай виглядають як клешні або складаються з декількох еластичних пальців, що приводяться в рух за допомогою гідравліки або пневматики. Однак захоплення з такою конструкцією погано справляються з важкими предметами складної форми.

Інженери з Університету Нового Південного Уельсу під керівництвом Тханя Нхо До (Thanh Nho Do) розробили м'який маніпулятор, позбавлений таких недоліків. Він виглядає і працює як щупальце і здатний обхоплювати предмети, щільно прилягаючи до їх поверхні. Маніпулятор складається з чотирьох основних компонентів: гідравлічного актуатора, тканинної оболонки, датчиків тиску та елемента зі змінюваною жорсткістю.

Гідравлічний актуатор, який відіграє основну роль у роботі пристрою, являє собою м'яку розтягувану силіконову трубку, вставлену в спіраль з рибальської ліски (полівініденфторид). При цьому зовнішній діаметр силіконової трубки трохи більше внутрішнього діаметру спіралі для більшої ефективності актуатора. В якості робочої рідини використовують воду. При збільшенні тиску рідини внутрішня силіконова трубка прагне розширитися у всіх напрямках, проте котушка з ліски обмежує радіальне розтягнення, залишаючи при цьому можливість подовження в напрямку поздовжньої осі трубки. Одночасно з цим відбувається обертальний рух протилежний напрямку намотки ліски.

Зовнішня оболонка щупальця виготовлена з декількох шарів тканини, які зшиваються, утворюючи канали для розміщення гідравлічного актуатора і пристрою зміни жорсткості. Матеріал оболонки з одного боку може розтягуватися (наприклад, «спандекс»), а з протилежною використана бавовняна тканина з обмеженою здатністю до розтягнення. Завдяки цьому при деформації гідравлічного актуатора відбувається вигин і закручування в спіраль всього маніпулятора-щупальця, і чим вище тиск, що додається до актуатора, тим сильніше маніпулятор закручується в спіраль (c великою кількістю витків).

Для отримання в реальному часі інформації про тиск, який маніпулятор чинить на поверхню предмета, розробники вбудували в нього м'які датчики тиску. Вони виконані у вигляді скручених у спіралі силіконових каналів, які заповнені рідким евтектичним сплавом галію та індію. Деформація каналів під зовнішнім тиском призводить до зміни електричного опору. Датчики розташовуються послідовно з одного боку в декількох точках уздовж щупальця. Завдяки цьому щупальце можна застосовувати для маніпулювання крихкими об'єктами без небезпеки їх пошкодити.

Для того щоб маніпулятор міг піднімати і утримувати захоплений вантаж на вазі інженери оснастили його елементом зі змінюваною під дією температури жорсткістю. Він являє собою трубку з поліетилентерефталату, всередині якої знаходиться нагрівальний елемент - спіраль з нержавіючої сталі, яка нагрівається під дією електричного струму. При нагріванні вище порогової температури, що дорівнює приблизно 67 градусам Цельсія, матеріал трубки зазнає фазового переходу і стає податливим, дозволяючи надати щупальцю необхідну форму. Після відключення нагрівача і охолодження матеріал трубки стає жорстким, фіксуючи форму маніпулятора. При струмі 0,5 ампер потрібно менше десяти секунд для нагріву пристрою до 80 градусів Цельсія.

За рахунок невеликого розміру і розташування нагрівального елемента всередині трубки вдається уникнути значного нагріву зовнішньої поверхні маніпулятора. А щоб прискорити охолодження після вимкнення нагрівача, в PET-трубку подається потік холодного повітря температурою 13 градусів Цельсія з пристрою, що працює на основі вихрівого ефекту Ранка-Хілша. За рахунок цього вдається охолоджувати трубку по всій довжині з 80 до 50 градусів Цельсія за 11 секунд. На повний цикл нагріву і охолодження, за словами розробників, йде приблизно 24 секунди.

Для оцінки здібностей нового маніпулятора інженери провели ряд експериментів з вантажами різної ваги і форми, які показали, що маніпулятор більш ефективний при роботі в конфігурації, коли додана сила спрямована перпендикулярно осі, що проходить уздовж спіралі скрученого щупальця. У такому положенні маніпулятор виявився здатним захопити і утримувати ящик з інструментами вагою 1,8 кілограмів, що в 220 разів більше, ніж власна вага пристрою (8,2 грама). Крім того, за рахунок здатності скручуватися в спіраль і обвиватися навколо предметів, маніпулятор може діставати об'єкти з вузьких просторів і отворів, наприклад з високих циліндричних порожнин, а також маніпулювати тонкими тривалими предметами, такими як стрижні, олівці, гайкові ключі та викрутки.

Для надійного захоплення, як зазначають розробники, необхідно, щоб щупальце обвилося навколо захоплюваного предмета хоча б один раз, тому існує обмеження на розмір об'єкта. Чим більше предмет, тим довшим повинен бути маніпулятор.

У майбутньому розробники планують експериментувати з матеріалом для модуля зміни жорсткості, щоб знизити енергоспоживання і температуру нагріву, а також інтегрувати маніпулятор з роботизованою рукою з можливістю тактильного зворотного зв'язку на основі своїх попередніх розробок. За їхніми оцінками комерційно доступна технологія на основі нового маніпулятора може з'явитися приблизно через 12-16 місяців.

Раніше ми розповідали про корейських інженерів з Університету Корьо, які використовували інший принцип для приведення в дію м'якого робощупальця. Розроблений ними актуатор заснований на явищі електроосмосу.