Робот-пружинка вывернулся наизнанку для движения

Китайские и американские инженеры представили робота WHERE-Bot, который передвигается без колес, используя в качестве движителя свернутую в кольцо детскую игрушку-пружинку слинки. Для движения пружина непрерывно выворачивается наизнанку установленным внутри сервоприводом, заставляя робота смещаться в сторону из-за разницы в силах трения. Траекторией движения можно управлять смещением центра массы с помощью подвижного модуля, расположенного внутри кольца. Робот способен двигаться во всех направлениях и обходит встречаемые препятствия, полагаясь только на механические свойства, а не на датчики. Препринт статьи размещен на arXiv.org.

Роботы из мягких материалов во время движения могут подстраиваться к разнообразным типам рельефа. Однако, несмотря на высокую адаптивность для навигации в незнакомой среде, они обычно полагаются на данные сенсоров. При этом неточность в данных из-за помех или отказ датчиков может привести к столкновениям или застреванию робота в ограниченном пространстве, поэтому инженеры пытаются разработать новые методы передвижения, которые бы не зависели от точности данных об окружении.

Один из таких методов реализовали в своем роботе разработчики под руководством Шу Гуан Ли (Shuguang Li) из Университета Цинхуа. Разработанный инженерами робот WHERE-Bot для преодоления препятствий на пути может использовать собственные механические свойства вместо датчиков столкновений. Основу робота составляет детская игрушка слинки в виде спиральной пружины. Она играет ключевую роль в создании движений робота, одновременно выполняя функции тела и основного механизма привода.

Концы спирали соединены вместе, образуя непрерывное кольцо из тридцати семи витков. Внутри кольца размещен центральный хаб — кольцевой механизм с зубцами. Каждый виток пружины находится в канавке на хабе и взаимодействует с его зубьями, образуя червячную передачу. Изнутри кольца витки прижимаются к хабу скользящим кольцом с канавками, по которым свободно может перемещаться модуль с батареей и электроникой. На скользящем кольце установлен собственный сервомотор, который соединен с одним из витков спирали. Второй сервопривод находится на подвижном модуле с электроникой и отвечает за его перемещение вдоль кольца. Общий вес конструкции составляет 436 грамм.

Движение WHERE-Bot складывается из трех типов вращений: выворачивание спирали, самовращение (вращение вокруг центра кольца свернутой спирали) и орбитальное движение (движение по круговой траектории). Выворачивание спирали создает соединенный с одним из витков сервомотор. Он заставляет этот виток вращаться и, поскольку пружина цельная, то вращение передается по всей длине. Из-за зацепления витков пружины с зубцами хаба по принципу червячной передачи вращение пружины приводит к вращению хаба и всего робота вокруг своего центра.

В реальных условиях трение между витками пружины и поверхностью заставляет робота двигаться в определенном направлении. Наблюдения показали, что робот обычно движется в сторону, противоположную смещению центра тяжести, так как витки пружины в этой области испытывают большее трение. Поскольку во время движения хаб вращается, центр тяжести также смещается, и направление результирующей силы трения регулярно меняется, заставляя робота двигаться по окружности (орбитальное движение). Второй сервомотор, установленный на скользящем кольце внутри втулки, может перемещать часть массы в виде электронных компонентов (плата управления, Bluetooth-модуль, аккумулятор), тем самым изменяя ее распределение и, как следствие, меняя траекторию движения.

Инженеры провели серию экспериментов для демонстрации возможностей робота. Управляя вторым сервомотором, они заставили робота двигаться по прямой линии и совершить поворот на девяносто градусов. Кроме того, робота поместили в квадратную область размером шестьдесят на шестьдесят сантиметров. Без какого-либо управления робот продемонстрировал способность автономно исследовать периметр: упираясь в стенку робот продолжал двигаться вдоль нее, огибая углы за счет взаимодействия своей структуры с границами. Таким образом удалось показать, что предложенный метод передвижения позволяет исследовать среду с препятствиями без использования каких-либо датчиков обнаружения столкновений.

Текущий прототип ограничен передвижением по твердым поверхностям с низким коэффициентом трения. В будущем исследователи планируют улучшить конструкцию пружины, повысив ее жесткость и износостойкость, что позволит роботу передвигаться по разным типам местности.

Для движения вперед можно не только выворачиваться наизнанку, но и колебаться волнами. Так, инженеры из Израиля представили робота, состоящего из двух соединенных сцепкой сегментов, который за счет волнообразных движений не только двигаться боком, но и преодолевает длинные и высокие препятствия.