Чем отличается управление в мягком приводе?
В классическом двигателе постоянного тока управляющее напряжение приблизительно определяет частоту вращения и в значительной степени не зависит от изменений во времени входного сигнала. Если двигатель работает с нагрузкой, то для линеаризации системы можно использовать цепь управления с обратной связью. Напротив, эффективность мягких приводов, таких как мышцы или SMA-катушки, в значительной степени зависит от времени стимула, длительности и величины. Управление приводом SMA можно осуществлять с достаточной точностью, используя традиционное управление с обратной связью при четко определенном движении жесткого тела.
В мягком роботе, однако, постоянно деформирующийся корпус делает управление положением привода менее полезным. Альтернативный подход заключается в описании свойств привода и использовании их для настройки команд двигателя робота. В качестве примера такого подхода исследователи систематически изменяли в SMA предварительную нагрузку (3 уровня), сопротивление жесткости (3 уровня) и движущую силу (3 уровня) при мониторинге вызванных отношений сила-длина с помощью одноосной универсальной испытательной машины. В частности, они измерили пиковое усилие, пиковое смещение и начальную скорость нагружения. Хотя нелинейные отклики SMA сложны, некоторые общие тенденции могут быть использованы для проектирования различных условий эксплуатации.
Сила и перемещение
В то время как пиковое усилие монотонно возрастает при механическом сопротивлении и предварительном натяге, для смещения наблюдается обратная тенденция. Этот компромисс, связанный с принудительным перемещением, не так сильно отличается от идеи заимствования средств, за исключением того, что компромисс имеет тенденцию к оптимальному соотношению. Другими словами, отказ от единицы перемещения не означает обмен на ту же самую единицу силы. Одним из ключевых факторов такого смещения является соответствующая предварительная нагрузка, которая увеличивает производство силы, не теряя при этом заметного смещения. На практике необходимо тщательно организовать установку привода SMA в мягком роботе, чтобы обеспечить соответствующую предварительную нагрузку и хорошую производительность.
Мощность и скорость загрузки
Более высокая стимулирующая мощность позволяет SMA-катушкам быстро создавать большие пиковые нагрузки. Мощные стимулы обеспечивают одновременное преобразование всех кристаллов сплава SMA в аустенитное состояние, что приводит к синхронизации силовой продукции, аналогично набору мышечных волокон у животных. Именно поэтому начальная скорость загрузки увеличивается при самой большой нагрузке на резистивной нагрузке. Понимание этих кривых скорости и мощности позволяет управлять различными движениями в соответствующем диапазоне скоростей.
Пассивный захват, активная разблокировка
- Ключевым элементом подъема в сложных трехмерных конструкциях является надежный захват субстрата в нескольких точках. Эта рукоятка должна выдерживать вес робота или животного (при подъеме или переворачивании), а также обеспечивать якорь для движущихся сил.
- Кроме того, при движении вперед рукоятка должна надежно расцепляться в нужное время.
Гусеницы, такие как Мандука, решили эту проблему с помощью пассивной системы захвата крючков, которую можно активно отпускать, не тягая и не оказывая сопротивления подъему. Эти вязаные нити могут быть развернуты пассивно и, соприкасаясь с поверхностью, они сориентированы так, чтобы соответствовать подложке. Благодаря идеальному субстрату, эти микрокрючки так хорошо схватываются, что при отрыве гусеницы от субстрата некоторые ножки от тела будут оторваны. Самая примечательная часть этой системы захвата заключается в том, что вязаные нити можно быстро отделить, активировав одну мышцу, независимо от шероховатости подложки или угла крепления. Хотя системы захвата на основе крюков хорошо работают на относительно шероховатых поверхностях, они не подходят для гладких искусственных подложек, таких как металл или стекло.
Тот же общий принцип пассивного захвата и активного разблокирования может быть использован в управляемом устройстве адгезии. Исследователи разработали простую выдвижную адгезионную прокладку для обеспечения управляемых анкеров для мягких роботов. Добавляя полиорганосилоксаны (ПОС) в силиконовую смесь платины и получили липкую силиконовую текстуру. В целом, количество добавленных ПОС определяет, насколько липким будет конечный продукт. Для проверки адгезионных свойств они провели ряд экспериментальных адгезионных прокладок по гладкой поверхности и измерили силу сопротивления.
Трение с поверхности силикона без адгезионного материала составляет около 60 мН. Втягивание силиконовой поверхности снижает трение примерно до 15 мН. Это характеристики без адгезионных прокладок. При использовании адгезионной прокладки статическое сцепление увеличивается почти в 10 раз. При скольжении клейкая прокладка сохраняет в два раза более высокий уровень трения, чем обычная силиконовая резина. Втягивание адгезионной прокладки уменьшает трение до уровня ниже 15 мН. При перемещении липкой прокладки уровень трения восстанавливается до 150 мН в состоянии скольжения и поддерживается на уровне выше 100 мН постоянно. Клейкую прокладку можно втянуть досрочно, чтобы устранить трение во время фазы статической нагрузки, не влияя на последующие операции.
Таким образом, убирающаяся адгезионная прокладка может немедленно обеспечить тяговое усилие >100 мН для мягкого робота в движении и обеспечить >400 мН в статическом состоянии. Как правило, маленькие ползучие роботы прилагают усилие порядка 100 мН. Таким образом, адгезионная прокладка может быстро замедлить движущийся кузов и зафиксировать его на месте.