Универсальный деформируемый модуль в стиле оригами для робототехнических приложений

Модульные роботы — роботизированные системы, которые могут адаптировать конфигурацию своего тела для изменения стиля передвижения или перемещения по различным ландшафтам, — могут быть весьма выгодны для выполнения задач в различных условиях. За последнее десятилетие или около того инженеры разработали широкий спектр модульных роботов, которые основаны на различных конструкциях и базовых механизмах.

Исследовательская группа из Университета Уэстлейк и Чжэцзянского университета в Китае недавно представила новую конструкцию модульного робота, вдохновленную искусством складывания бумаги оригами, в частности, сгибом оригами, известным как узор Креслинга. Их дизайн, представленный в статье в Nature Communications, основан на недавно представленных универсально деформируемых модулях, которые можно переставлять для создания различных форм и конфигураций.

“Были предприняты некоторые попытки использовать шаблон Креслинга для разработки многомодовых роботизированных манипуляторов”, – сказал Tech Xplore Ханьцюнь Цзян, один из исследователей, проводивших исследование. “Однако существующие методы основаны исключительно на самой схеме Креслинга; таким образом, режимы деформации ограничены режимом сопряженного скручивания и сжатия. Основная цель состоит в том, чтобы изменить классическую схему Креслинга и создать новые режимы деформации.”

В контексте оригами узор Креслинга состоит из чередующихся горных (т.е. выступающих) и долинных (т.е. впалых) складок, расположенных под углом в противоположных направлениях скручивания. Этот узор можно использовать для создания сложных форм, напоминающих узоры, наблюдаемые в природе, например, на крыльях бражника или спиралевидные формы на сосновых шишках.

В рамках своего исследования Цзян и его коллеги попытались использовать этот конкретный узор оригами для создания модульного деформируемого устройства, которое можно было бы адаптировать для создания различных форм. Созданный ими модуль приводится в действие пневматикой – системами, которые используют газ или сжатый воздух для создания различных перемещений.

“Устройство состоит из двухуровневого рисунка креслинга с противоположными направлениями скручивания на каждом уровне”, – объяснил Цзян. “Что еще более важно, на каждом уровне есть два боковых кармана с противоположных сторон. Таким образом, в зависимости от того, как создается давление в боковых отсеках, при вакуумировании основной камеры мы можем добиться различных режимов деформации”.

Новый модуль, представленный исследователями, может изменять свою форму в зависимости от приложенного к нему давления, создавая всевозможные формы, соответствующие потребностям конкретных сценариев применения. В общей сложности он может создавать семь различных режимов движения роботов с помощью одного модуля оригами, включая три основных движения и четыре повторные комбинации этих базовых движений.

“Наша двухуровневая установка представляет собой универсальный деформационный модуль, который может обеспечивать все возможные режимы деформации в зависимости от конкретных применяемых схем повышения давления”, – сказал Цзян. “Модуль подобен нашим рукам, которые могут выполнять все режимы деформации (сокращение / разгибание, скручивание, сгибание), в зависимости от того, как нервы управляют мышцами. Схемы повышения давления в устройстве подобны нашим нервам, а универсальный модуль берет на себя роль нашей руки. Эта роботизированная рука на основе оригами будет функционировать как жесткая роботизированная рука с шестью степенями свободы.”

Исследователи оценили свой деформируемый модуль, созданный в стиле оригами, в серии симуляций и реальных экспериментов. Полученные ими результаты были весьма многообещающими, подчеркивая их потенциал для разработки модульных роботов, которые могут адаптироваться к окружающей среде и двигаться по-разному.

Примечательно, что модуль также может быть собран повторно во время работы робота, что делает его идеальным для сложных миссий в реальном мире, требующих быстрой адаптации к изменениям окружающей среды. Таким образом, в будущем эта работа может проложить путь к созданию более сложных мягких роботов, которые будут более чутко реагировать на окружающую среду.

“В своих следующих работах я планирую использовать эту структуру для более практических применений, таких как захват крупных объектов”, – добавил Цзян.