Движение при мягком теле
Общие конструктивные соображения
На основании предыдущих исследований гусеничного движения в части 1 можно разделить ползучую гусеницу на три ключевых функциональных компонента:
- сильно деформируемое тело,
- мышечные растягивающие приводы,
- механизм управления захватом.
Начнем с того, что представим некоторые вопросы по контролю над движением мягкого тела.
Регулирование положения
Традиционно рабочее пространство робота определяется кинематикой суставов и ограничивается диапазоном движения суставов. Часто можно контролировать такие конструкции, как государственные машины с некоторой компенсацией обратной связи. Напротив, кинематику мягкого робота описать крайне сложно, а без артикуляции невозможно предсказать деформации. Поэтому большинство моделей мягких структур являются численными и требуют вычислений, которые не могут быть выполнены в реальном времени. Кроме того, обратная связь о позиции является чрезвычайно сложной задачей при таком количестве возможных конфигураций. С философской точки зрения, мягкий робот не должен "замыкаться" в определенную конфигурацию и все равно должен считаться мягким.
Гусеницы обычно тянут свое тело вперед по одной линейной оси, а мышцы ориентированы преимущественно по направлению движения. До тех пор, пока имеется достаточный передний захват, точная деформация тела не имеет значения для опорно-двигательного аппарата. Действительно, нет никаких доказательств того, что выдающиеся органы рецепторов растяжек играют какую-либо роль в нормальном ползании. Это говорит о том, что позиционный контроль не всегда необходим.
Нелинейность присуща крупным деформирующимся телам
Нелинейность создает серьезные вычислительные проблемы для традиционных систем управления. К сожалению, мягкие тела по своей природе нелинейны в реакции напряжения-деформации из-за большой деформации. При испытаниях на растяжение гомогенный силиконовый каучук линейно эластичен до очень высоких напряжений, но затем проявляет псевдоэластичное поведение в состоянии прогиба. В конфигурации прогиба сила сжатия между двумя концами является самой большой в начале и уменьшается по мере развития прогиба. Интересно, что начальное смещение при изгибе может полностью изменить профиль нагрузки. Чтобы показать, что эта нелинейность обусловлена нагрузкой, было предотвращено вращение одной стороны поворотного штифта и проведено то же самое испытание. Это препятствие задержало прогиб и позволило осуществить простое сжатие материала. Полученная кривая нагрузки следовала идеальному линейному тренду. После превышения порогового значения нагрузки образец скручивается и воспроизводит регулярные кривые с предварительным натяжением.
Другой нелинейностью, присущей мягким материалам, является остаточное напряжение. Большинство биологических тканей развивается путем ламинирования и поэтому содержит остаточные напряжения. Можно смоделировать это состояние в образце кремниевого каучука путем отверждения одного слоя резины под напряжением в другом ненапряженном слое. В результате образуется материал с изогнутой конфигурацией покоя из-за остаточного напряжения.
При испытаниях на растяжение этот образец обладает свойством жесткости при растяжении, которое тесно зависит от величины предварительной нагрузки. По сути, любое растягивающее усилие должно ослабить застежку образца, прежде чем он сможет войти в линейное растяжение материала. Процесс разгибания увеличивает жесткость материала постепенно по мере того, как полимеры выравниваются по направлению нагрузки. Такое поведение очень повторяемо и очень похоже на мягкую кутикулу гусениц. Вероятно, что нелинейность биологических систем эксплуатируется как неотъемлемая часть системы естественного контроля.
Мягкие приводы
Активные материалы в качестве мягких приводов
Самой большой проблемой в создании практичного робота любого типа является отсутствие подходящих приводов. В идеале приводы должны быть похожи на мышцы, деформируемые и приводимые в действие местными углеводородами, богатыми энергией. К сожалению, все доступные синтетические мягкие приводы имеют существенные ограничения. Наиболее деформируемыми являются химически активные гели (которые пока далеки от практического применения в качестве исполнительных механизмов) и электроактивные полимеры.
Электроактивные полимеры состоят из двух основных классов:
- ионных полимер-металлических композитов (ИПМК)
- и диэлектронных полимеров.
Сложно сопрягать эти полимеры с другими материалами или даже с токопроводящими поверхностями, необходимыми для их активации. ИПМК также должны быть влажными, а диэлектрические полимеры требуют очень высоких электрических полей. Эти свойства ограничивают их применение даже в стабильных условиях, не говоря уже об экстремальных условиях окружающей среды. В качестве альтернативы можно использовать пневматические поршни, гидравлику или надувные эластичные отсеки. Все эти технологии имеют свои области применения, но очевидно, что они требуют способности создавать давление и хранить газ или жидкости с помощью жестких материалов и внедорожных двигателей. Наиболее перспективными, являются еще две существующие технологии. В обоих случаях для создания приводов, не оказывающих значительного влияния на свойства сыпучих материалов робота, требуется чрезвычайно миниатюризированная обработка твердых деталей, в противном случае они не будут оказывать существенного влияния на свойства сыпучих материалов робота. Первый — это развёртывание линейных двигателей или маленьких катушечных двигателей, протягивающих гибкие кабели или соответствующие требованиям "сухожилия".
В более широком смысле, этот механизм является распространенным подходом в исследовательских роботах, но он не был применен в полностью мягком роботе, который потребует двигателей на порядок меньшего размера.
Продолжение следует...