|
Ключевые слова: биомиметика, энергетическая эффективность роботов, электроактивные
полимеры.
С каждым годом возрастает актуальность использования роботов и механизмов во всех
сферах деятельности человека. Так, с развитием робототехники перед конструкторами
возникают различные проблемы, связанные с энергоэффективностью и использованием
альтернативы электромоторам в роботах и механизмах. Создатели роботов все чаще
заимствуют свои идеи у самой природы и не могли обойти стороной гепарда, являющегося
самым быстрым животным на планете. Уже неоднократно предпринимались попытки
создать роботизированного гепарда и существуют рабочие прототипы. В работе рассмотрены
наиболее успешные конструкторские решения компаний, различных конструкторов и
ученых.
Альманах научных работ молодых ученых
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1
184
Кандидат из Boston Dynamics (рис. 1, а) является первым в своем роде роботом-
гепардом. Он развивает скорость до 46 км/ч. Конструкция основана на пневмоклапанах.
Конструкторы делали упор в первую очередь на скоростные параметры робота и достигли
этого с помощью видоизменения конечностей. Время автономной работы увеличивают за
счет установки большого количества аккумуляторных батарей, а сама конструкция
выполнена из металлических частей.
а
б
Рис. 1. Робот-гепард Boston Dynamics (а) и робот-гепард из MIT [2] (б)
Робот из MIT (Массачусетский технологический институт) (рис. 1, б) ушел дальше
своего предшественника и развивает скорость 56 км/ч, во главе конструкции лежит
электродвигатель с высоким крутящим моментом. Робот обладает жестким позвоночником, а
энергоэффективность поддерживается благодаря рекуперации части обычно рассеиваемой
энергии. Устойчивость сохраняется благодаря особому строению конечностей, а каркас
состоит из легкого композитного материала [1].
Робот-гепард из университета Твенте (рис. 2) является самым энергоэффективным. Его
вес составляет 2,5 кг, имеет общую длину 30 см и развивает скорость до 20 км/час. Если
принять, что роботизированная модель гепарда имеет такие же габариты и вес, что и живое
существо, то он бы расходовал всего на 15% больше энергии во время бега, что является
рекордным показателем. Основным элементом конструкции является пружинный аналог
спинного хребта, исключающий использование сегментов и аналогов межпозвоночных
дисков, накапливающий и использующий энергию при беге [2].
Рис. 2. Робот-гепард из Твенте [3]
Во всех этих решениях конструкторы делали упор на конечности и приводы роботов,
пытаясь увеличить скорость и энергоэффективность конструкций. Если взглянуть на
Альманах научных работ молодых ученых
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1
185
реальное строение гепарда, то можно заметить, что около 70% мышц сосредоточены вдоль
позвоночника. Сам позвоночник очень гибок и благодаря ему гепард достигает
феноменальных скоростей. При беге немаловажным являются конечности гепарда.
Сухожилия работают практически как пружины. Пружина – это маятник, и при резонансе
будет самый наименьший расход энергии. Энергия не тратится на сгибание и разгибание
тела или конечностей, а только на раскачку. Таким образом, гепард подбирает резонанс под
нужную скорость, напрягая тонус мышц. Следовательно, конструкция будущего
роботизированного гепарда должна обладать гибким, эластичным, прочным позвоночником
и энергоэффективными, пружинящими конечностями.
Для реализации подобного механизма нет электроприводов, сопоставимых с работой
мышц. Также реализация конструкции на пневмоклапанах или приводах будет отрицательно
сказываться на энергозатратной составляющей робота и его веса. Интересным решением в
данном вопросе может являться использование электроактивных полимеров.
В настоящей работе выбор пал на диэлектрический эластомер. При попадании данного
полимера в электрическое поле, полимер сокращается подобно мышцам (рис. 3).
Особенность используемого диэлектрического эластомера заключается в лучших
показателях растяжения и сжатия при использовании меньшего электрического поля. Это
возможно также из-за эффективного преобразования энергии электрического поля в
механическую, которая составляет 90%. И несомненным плюсом является сохранение
свойств при множестве циклов работы, легкость и высокая прочность материала в сравнении
с другими полимерами [3].
а
б
Рис. 3. Структура позвоночника: без воздействия электрического поля (а); под воздействием
электрического поля (б)
Таким образом, позвоночник будущего робота-гепарда будет состоять из
диэлектрического эластомера. Для усиления жесткостных параметров позвоночника
эластомер будет чередоваться с силиконовой резиной, что позволит не только более
эффективно управлять позвоночником, но и придать позвоночнику реальные механические
свойства. Поскольку пассивные характеристики используемого материала являются
ключевым фактором для воссоздания работы и гибкости позвоночника, были проведены
испытания на растяжение/сжатие, чтобы найти количественные данные о пассивных
свойствах некоторых коммерчески доступных силиконовых резиновых смесей. Эти
материалы сравнивались с акцентом на их механические свойства, и был выбран материал,
наиболее близкий к естественным мышцам [4].
Слои эластомера и резины пронизывают восемь управляющих проводов из меди, на
которых при подаче электричества создается электрическое поле, которое сокращает
искусственные мышцы. Такая конструкция позволяет имитировать работу позвоночника
гепарда во время бега, когда угол, образующийся позвоночником, составляет 15–20°.
Альманах научных работ молодых ученых
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1
186
Полученные результаты будут взяты за основу в дальнейшем проектировании опорно-
двигательного аппарата робота-гепарда. Будут рассчитаны жесткостные, прочностные
параметры конструкции и произведено моделирование в CAE-системе. Планируется разбор и
анализ существующих инженерных решений конечностей роботизированных гепардов и
проектирование метода крепления управляющей аппаратуры и конечностей к позвоночнику.
Do'stlaringiz bilan baham: |
