Американские исследователи создали исключительно простой манипулятор, способный ухватывать и поднимать предметы совершенно разной формы. Рабочим элементом в нём являются сыпучие материалы, которые при изменении давления способны переключаться между текучим и жестким состояниями.
Одна из ключевых задач роботехники — создание эффективных роботизированных рук-манипуляторов, способных брать предметы и манипулировать ими. В идеале такая рука должна быть:
1) универсальной — она должна уметь надежно ухватывать и перемещать предметы самой разной формы,
2) «интеллектуальной» — она не должна тратить время на предварительное «узнавание» формы предмета путем ощупывания,
3) безопасной для легко деформируемых и хрупких предметов,
4) надежной в эксплуатации.
Классическое решение:Классическое решение:
Большинство таких роботизированных манипуляторов состоит из двух и более пальцев, которые поднимают предмет, ухватывая его за выступы либо сдавливая его. Для того чтобы такая схема была эффективной, требуется, во-первых, создавать пальцы с несколькими независимыми суставами, а значит, использовать достаточно точную электромеханику. Во-вторых, необходимо организовать обратную связь — как визуальную, так с помощью сенсоров давления на «кончиках пальцев». В-третьих, нужен доступ к достаточно мощным вычислительным ресурсам для обработки (в реальном времени!) всей поступающей информации, расчета механики процесса и формирования команд для каждого отдельного сустава на каждом пальце. Кроме того, такая схема не решает второй пункт из списка. Новое решение:Новое решение:
Коллектив американских исследователей предложил и реализовал новую и исключительно простую схему универсальной роботизированной руки. Ее действие основано на уникальных особенностях поведения сыпучих веществ: в зависимости от условий, они могут течь, словно жидкости, а могут и держать давление, как твердые тела.
Устройство этой «хваталки» показано на рисунке. Она состоит всего-навсего из латексного мешочка размером несколько сантиметров, заполненного под завязку сыпучим материалом (конкретно в этом случае использовался молотый кофе). К герметично закрытому мешочку подведена трубочка от насоса, который при необходимости откачивает воздух из свободного пространства между частичками кофе. В нормальном состоянии молотый кофе очень податлив (в чём каждый может убедиться дома на кухне), так что мешочек легко деформируется при малейшем воздействии. Если манипулятор опустит такой мешочек сверху на лежащий на столе предмет, то он просто будет обволакивать все выступы предмета, принимая его форму.
.
Однако если теперь откачать из мешочка воздух, то он резко затвердеет. С точки зрения физики в сыпучем веществе при повышении давления наступает фазовый переход. (Опять же, дома на кухне можно воочию пронаблюдать обратный процесс: когда вы протыкаете новую пачку молотого кофе, брикет резко теряет твердость.) Самое важное здесь то, что резкое затвердение наступает практически без изменения формы мешочка. Таким образом, предмет вдруг оказывается внутри этаких «тисков» подходящей формы, которые прочно удерживают предмет, почти не сдавливая его. Теперь не составляет никаких проблем поднять предмет.
Сильные стороны нового манипулятора сразу бросаются в глаза. Он универсален (в разумных пределах) и может поднимать предметы даже самой замысловатой формы (см. рисунок). Он не нуждается в предварительном «знакомстве» с предметом, поскольку сыпучий материал в податливом состоянии автоматически принимает требуемую форму. Он достаточно безопасен для хрупких предметов; более того, он может даже поднимать предметы, буквально разваливающиеся на части, и переносить их, не меняя относительного положения частей. И конечно, главное его достоинство — исключительная простота. Манипулятор не требует ни сложной и точной электромеханики (и вообще электричества!), ни высококачественных материалов, ни массива сенсоров, ни вычислительных мощностей для расчетов механики в реальном времени. Он также очень прост в обращении, а в случае повреждения его наверняка можно будет починить и в полевых условиях. И всё это стало возможным потому, что данный манипулятор является не активным, как обычная роботизированная рука, а пассивным — то есть благодаря нему мы не прикладываем активные действия для поддержания предмета, а просто позволяем природе всё сделать за нас.
Опыты показали, что мешочек радиусом 4 см способен удерживать на весу грузы в несколько килограмм.
Универсальный манипулятор на основе сыпучих материалов в действии. Вверху: предметы разной формы, которые успешно поднимает манипулятор. Внизу: его принцип действия.
Источник:
elementy.ru/news?newsid=431422