Table of Contents

Модульная робототехника представляет собой сдвиг парадигмы в подходе инженеров к проектированию роботов. Вместо того, чтобы строить единую машину фиксированного назначения, модульные роботы собираются из стандартизированных, взаимозаменяемых блоков, которые могут быть перенастроены в соответствии с широким спектром задач и сред. Способность быстро изменять форму, размер и функцию робота является тем, что делает реконфигурируемые механизмы основой этой области. От спутников, которые могут перестраиваться на орбите, до хирургических инструментов, которые адаптируются к анатомии пациента, потенциальные приложения обширны. Эта статья углубляется в основные принципы, типы суставов, материалы и проблемы, связанные с проектированием механизмов, которые являются надежными и легко реконфигурируемыми.

Основы реконфигурируемых механизмов

Перенастраиваемый механизм определяется его способностью изменять свою кинематическую структуру и функциональное поведение посредством перегруппировки или замены составляющих его компонентов. В отличие от обычных механизмов, которые фиксируются во время проектирования, эти системы предназначены для разборки и повторной сборки в новые конфигурации, часто самим роботом. Фундаментальная задача заключается в создании механических интерфейсов, которые одновременно достаточно сильны, чтобы передавать силы во время работы, но достаточно просты, чтобы быть отделенными и повторно присоединенными без необходимости вмешательства человека или специализированных инструментов.

История реконфигурируемой робототехники восходит к ранним модульным системам, таким как CEBOT (Cellular Robot), разработанным в Токийском технологическом институте в 1980-х годах, за которым следуют более сложные конструкции, такие как PolyBot и M-TRAN. Эти новаторские проекты продемонстрировали, что несколько типов модулей могут быть объединены в ходячих роботов, подвижных роботов или даже роботизированных рук. Сегодня исследования продолжают раздвигать границы с такими концепциями, как самонастраиваемые системы, которые могут автономно изменять форму. Ядро любой такой системы - механизм, который позволяет модулям соединяться, отключаться и перемещаться относительно друг друга.

Основные принципы проектирования для реконфигурируемых механизмов

Несколько принципов определяют разработку эффективных реконфигурируемых механизмов, каждый из которых уравновешивает компромиссы между жесткостью, весом, стоимостью и простотой использования.

Модульность и стандартизация

Истинная модульность требует, чтобы все модули имели общие стандартизированные интерфейсы — как механические, так и электрические. Это гарантирует, что любые два модуля могут быть подключены независимо от их внутренней функции. Хорошо продуманный интерфейс включает в себя точные функции выравнивания (такие как направляющие штифты или защелкованные поверхности), механизм защелкивания и электрические контакты для питания и данных. Стандартизация снижает затраты на инвентаризацию и позволяет осуществлять горячую замену неисправных модулей в полевых условиях. Например, роботизированные программы НАСА часто используют такие стандартизированные интерфейсы, чтобы позволить астронавтам настраивать инструменты для различных задач во время выхода в открытый космос.

Простота реконфигурации

Реконфигурация должна быть достижима с минимальными усилиями и временем. Это особенно важно для автономной самоконфигурации, где робот должен менять форму без помощи человека. Механизмы, требующие чрезмерной силы или сложных последовательностей операций, непрактичны. Снап-подключение , магнитное защелкивание и приводы сплава с памятью формы являются общими решениями для быстрого крепления и отсоединения. Время, необходимое для перехода от одной конфигурации к другой, должно измеряться в секундах или минутах, а не часах.

Масштабируемость

Модульная система должна быть масштабируемой в обоих направлениях. Добавление большего количества модулей не должно ухудшать производительность или требовать перепроектирования программного обеспечения управления. И наоборот, сокращение количества модулей должно оставить оставшуюся систему функциональной. Масштабируемость применяется к механической прочности, распределению мощности и пропускной способности связи. Модули с нагрузкой должны быть спроектированы так, чтобы дополнительные модули не перегружали структуру - часто достигается за счет распределенных путей нагрузки и самозахватывающих геометрий.

Надежность и структурная целостность

Перенастраиваемые соединения по своей сути слабее сварных или болтовых соединений. Переходные нагрузки при движении могут вызывать неожиданные напряжения на интерфейсах. Инженеры должны обеспечить, чтобы запирающий механизм мог выдерживать пиковые крутящие моменты и силы без скольжения. Излишние защелки , поверхности с высоким трением и активная предварительная загрузка — это методы, используемые для поддержания жесткости. Кроме того, механизм должен быть отказоустойчивым: если защелка выходит из строя, система все равно должна быть в состоянии выполнить свою задачу или безопасно отключиться без катастрофических повреждений.

Типы реконфигурируемых соединений и соединений

Разнообразие соединений, используемых в модульной робототехнике, напрямую влияет на диапазон достижимых конфигураций. Наиболее распространенные типы описаны ниже.

Революционные суставы (Rotary)

Револьтные соединения позволяют двум модулям вращаться относительно друг друга вокруг одной оси. Они являются наиболее распространенным типом в роботизированных манипуляторах и необходимы для создания сочлененных цепей. В модульных системах соединение должно включать разъемный механизм блокировки, чтобы модули могли быть разделены. Многие конструкции используют вращающийся концентратор с центральным штифтом блокировки, который можно втягивать для освобождения соединения. Угловой диапазон обычно ограничен, чтобы избежать скручивания кабеля, хотя некоторые конструкции используют кольца скольжения для непрерывного вращения.

Призматические суставы (Linear)

Призматические соединения позволяют удлинять и сжимать по одной оси. Они менее распространены в модульной робототехнике из-за сложности упаковки линейных элементов движения в компактный модуль, но они неоценимы для создания расширяющихся структур, таких как стрелы или телескопические рычаги. Призматический совместный модуль часто содержит свинцовый винт или стойку-и-контактный привод. Реконфигурируемость происходит от способности отсоединять линейный привод от корпуса модуля и подсоединять его к другому модулю.

Универсальные соединения (Multi-Axis)

Универсальные стыки обеспечивают две ортогональные оси вращения, позволяя модулю ориентироваться в более широком диапазоне поз. Это особенно полезно для модулей, которые действуют как «колени» или «кристальные» в роботе. Однако универсальные стыки обычно имеют ограниченный диапазон движения в каждой оси (часто от ±30° до ±45°), чтобы избежать самоинтерференции. Интерфейс соединения для универсального стыка часто использует шариково-розеточное расположение с запирающим кольцом, которое можно затянуть вручную или автоматически.

Snap-Fit соединения

Механизмы Snap-fit популярны для быстрой ручной реконфигурации, особенно в учебных наборах и потребительских роботах. Они состоят из гибкой вкладки, которая отклоняется во время вставки, а затем защелкивается в углубление для блокировки. Пока они быстрые и без инструментов, щелчки имеют ограниченную грузоподъемность и могут изнашиваться после повторных циклов. Для повышения долговечности дизайнеры могут использовать металлические пружинные зажимы или сверхцентровые кулачки, которые обеспечивают плотный, жесткий сустав.

Электромагнитные и магнитные связи

Магнитные разъемы обеспечивают автоматическое выравнивание и не требуют механического контакта, что делает их идеальными для самонастраивающихся роботов, которым необходимо неоднократно стыковаться и отстыковываться. Электромагниты обеспечивают переменную силу удержания и могут включаться и выключаться, но они потребляют энергию непрерывно. Постоянные магниты в сочетании с механическим механизмом высвобождения могут использоваться для приложений с низкой мощностью, но для высвобождения соединения требуется приведение в действие движения разделения. Гибридные системы, которые используют постоянные магниты с коротким электромагнитным импульсом для разрыва удержания, являются активной областью исследований.

Механизмы защелкивания с помощью сплавов памяти формы

Сплавы памяти формы (SMA), такие как Нитинол, можно обучить изменять форму при нагревании. Они использовались в модульной робототехнике для создания компактных, легких защелок, которые можно открывать при помощи небольшого электрического тока. Основными недостатками являются медленная скорость приведения в действие и пониженная сила при низкой температуре. Несмотря на эти ограничения, SMA полезны для космических применений, где вес имеет решающее значение, а скорость реконфигурации не является основной проблемой.

Материалы и приводы для реконфигурируемых модулей

Выбор материалов и приводов определяет вес, прочность, скорость и энергопотребление модульного робота, которые имеют решающее значение для реконфигурируемости.

Структурные материалы

  • Пластика (ABS, Polycarbonate, Delrin): Легкий, непроводящий и простой в формовке. Подходит для прототипов и учебных комплектов, где требования к нагрузке низкие. 3D-печатные пластмассы все чаще используются для пользовательских модулей.
  • Алюминиевые сплавы (6061, 7075): Отличное соотношение прочности к весу, хорошая обрабатываемость и коррозионная стойкость. Алюминий является материалом для модулей исследовательского класса, которые должны выдерживать умеренные удары и крутящий момент.
  • Композиты из углеродного волокна: Чрезвычайно жесткие и легкие, но дорогие и трудные в машинном исполнении. Используются в высокопроизводительных вооружениях и развёрнутых в космосе конструкциях, где важен каждый грамм.
  • Титан: Предлагает превосходную прочность и коррозионную стойкость за счет более высокой плотности и стоимости. Часто зарезервировано для критических крепежных элементов и высоконапряженных соединений.

Актуарные технологии

Приводы в каждом модуле приводят в движение как внутреннее совместное движение, так и сам процесс реконфигурации.

  • Серводвигатели: Рабочая лошадка малых и средних модульных роботов. Они обеспечивают точное управление положением, высокий крутящий момент на низкой скорости и могут легко управляться с помощью PWM или цифровых протоколов. Теплоотвод является ограничивающим фактором, когда несколько сервоприводов упакованы близко друг к другу.
  • Безщеточные двигатели постоянного тока (BLDC): Более высокая эффективность и более длительный срок службы, чем щеточные двигатели, но требуют более сложных контроллеров. Используются в модулях, которые нуждаются в непрерывном высокоскоростном вращении.
  • Пневматические приводы: Легкий и способный к высокой силе с простым управлением (вход/выключение клапанов и двоичное давление). Идеально подходит для приложений, требующих безопасного, совместимого движения, таких как мягкие модульные роботы. Потребность во внешнем подаче воздуха ограничивает бесконтактную работу.
  • Сплавы памяти формы (SMA): Как упоминалось ранее, SMA могут выступать в качестве легких линейных или вращающихся приводов для защелкивания или небольших движений. Их медленный отклик (~1-5 секунд) и ограниченная повторяемость ограничивают их не деликатными задачами.
  • Электроактивные полимеры (EAP): Новая технология, которая изгибается или расширяется при приложении напряжения. EAP все еще экспериментальны, но обещают бесшумное, похожее на мышцы приведение в действие для будущих перенастраиваемых механизмов.

Применение реконфигурируемых механизмов в модульной робототехнике

Перенастраиваемые механизмы вышли за рамки академических лабораторий и стали применяться на практике в различных отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые из наиболее перспективных областей.

Космические исследования

Космические агентства заинтересованы в модульных роботах, которые могут быть запущены в компактной форме, а затем перенастроены на орбите для выполнения различных задач. Проект NASA SuperBall, например, исследует робота с тензегрити, форма которого может изменяться, изменяя длину кабелей между модулями. Другим примером является концепция Reconfigurable Spacecraft, где несколько спутников стыкуются и отстыковываются, образуя большую обсерваторию или многофункциональную платформу. Эти системы полагаются на надежные, легкие разъемы, которые могут обрабатывать тепловые экстремумы и вакуум.

Медицинская робототехника

В хирургии реконфигурируемые инструменты могут адаптироваться к анатомии пациента или типу процедуры. Один роботизированный инструмент может трансформироваться из жесткого иглового драйвера в гибкий змееподобный зонд для навигации по органам. Модульные хирургические роботы , такие как разработанные для минимально инвазивных вмешательств, используют взаимозаменяемые конечные эффекты и совместные модули, которые могут быть быстро вставлены на место во время операции. Это уменьшает потребность в нескольких специализированных инструментах и сокращает время установки.

Промышленная автоматизация

Заводские полы все чаще охватывают перенастраиваемые руки и приспособления для гибких сборочных линий. Вместо замены целого робота при введении нового продукта модульную систему можно перестроить, заменив захваты, расширив линии связи или изменив ориентацию основания. Модульная система захвата Schunk является коммерческим примером: она позволяет техникам собирать пользовательские захваты из каталога пальцев, оснований и поворотных соединений, все с использованием стандартизированного механического интерфейса.

Образование и исследования

Образовательные наборы робототехники, такие как LEGO Mindstorms и VEX Robotics, уже давно используют перенастраиваемые механизмы для обучения инженерным принципам. Более продвинутые исследовательские наборы, такие как система Moleculon, разработанная в Университете Пенсильвании, позволяют студентам разрабатывать и тестировать новые типы соединений и алгоритмы управления. В исследовательских лабораториях модульные платформы позволяют быстро прототипировать новые морфологии роботов без необходимости создавать каждого робота с нуля.

Поиск и спасение

В условиях бедствий требуются роботы, которые могут менять форму, чтобы ползать по щебням, плавать в паводковых водах или подниматься по обломкам. Перенастраиваемые змеи и многоножки, состоящие из идентичных модулей, могут изменять свою походку и форму тела для навигации по препятствиям. Робот-змея CMU использует серию совместных модулей, которые могут быть перестроены для создания различных конфигураций — например, добавление модуля захвата на кончике или вставка катящегося кольца для движения по плоским поверхностям.

Проблемы управления и программного обеспечения для реконфигурируемости

Хотя механическая конструкция имеет решающее значение, программное обеспечение, которое управляет реконфигурацией, одинаково важно. Одним из критических аспектов является планирование конфигурации : при наличии набора модулей и желаемой формы система должна вычислить последовательность соединений и отключений, которые превращают робота из его тока в его целевую конфигурацию без самоудара или нестабильности. Это вычислительно сложная проблема, часто решаемая с помощью эвристического поиска или машинного обучения.

Другая проблема заключается в самодиагностике и адаптации. Когда модуль выходит из строя, робот должен быть в состоянии обнаружить неисправность, отключить поврежденный модуль и перенастроить себя в рабочую — даже если неоптимальную — форму. Это требует локального зондирования в каждом суставе и распределенной архитектуры управления, где каждый модуль содержит свой собственный микроконтроллер.

Многие модульные роботы используют протокол связи peer-to-peer для обмена информацией о состоянии по сети модулей. Ширина полосы пропускания связи и задержка напрямую влияют на скорость реконфигурации. Ограничения в реальном времени особенно сжаты для механизмов, которые должны координировать движение во время изменения формы.

Будущие направления и новые технологии

Исследователи активно работают над несколькими инновациями, которые сделают перенастраиваемые механизмы более эффективными и практичными.

Самонастраивающиеся умные материалы

Материалы, которые могут изменять свою жесткость или форму в ответ на электрический сигнал (например, магнитореологические жидкости или полимеры памяти формы), могут устранить необходимость в отдельных приводах и защелках. Модуль, изготовленный из умного материала, может быть жестким при питании и мягким при отключении питания, что позволяет легко его менять, а затем запирать на месте.

Реконфигурация и сборка in-Situ

Мы движемся к роботам, которые могут перенастраиваться, используя только ресурсы, доступные в окружающей среде. Например, космический робот может использовать энергию солнечных панелей на своих модулях для нагрева защелок SMA. На Земле роботы могут использовать местное сырье для 3D-печати новых разъемов или модулей по требованию. Это снижает необходимость в массовом инвентаризации запасных частей.

Интегрированное зондирование и локализация

Возможность модуля знать свое точное положение относительно соседних модулей имеет важное значение для автономной стыковки. Новые методы зондирования, такие как емкостные датчики близости, отслеживание магнитного поля или оптические маркеры, могут обеспечить точность выравнивания субмиллиметра. Объединение нескольких модальностей датчика (например, расстояние и ориентация) сделает реконфигурацию быстрее и надежнее.

Биологически вдохновленные реконфигурируемые структуры

Природа предлагает множество примеров реконфигурируемых систем, от складывания белков до роя муравьев. Биологически вдохновленные конструкции, такие как механизмы складывания на основе оригами или , применяются к модульной робототехнике. Эти подходы позволяют одному модулю изменять форму, не теряя структурную целостность, открывая новые возможности для компактного укладки и быстрого развертывания.

Проблемы, которые остаются на местах

Несмотря на десятилетия прогресса, несколько фундаментальных препятствий остаются нерешенными. Компромисс между прочностью и весом , пожалуй, самый стойкий: соединение, достаточно сильное для поддержки больших нагрузок, обычно тяжелое и медленное к выпуску. Распределение мощности через десятки или сотни модулей затруднено — каждый сустав потребляет энергию, а проводные пучки становятся толстыми и жесткими. Эффективная маршрутизация питания требует умных архитектур шины или беспроводной передачи энергии.

Стоимость также ограничивает принятие. Один модуль с датчиками, исполнительными механизмами, микроконтроллером и надежным разъемом может стоить сотни долларов. Построение робота с десятью модулями становится дорогостоящим. Массовое производство и стандартизация, аналогичная индустрии бытовой электроники, могут снизить затраты. Наконец, Удобная для пользователя реконфигурация (будь то ручная или автоматическая) должна быть интуитивно понятной. Системы, требующие обширной подготовки или опыта в области программного обеспечения, будут ограничены в реальном мире.

Заключение

Проектирование перенастраиваемых механизмов для модульной робототехники является многодисциплинарной задачей, которая объединяет машиностроение, материаловедение, теорию управления и программное обеспечение. Достижения в области легких материалов, компактных приводов и интеллектуального управления неуклонно преодолевают традиционные ограничения модульных систем. По мере роста спроса на гибких, адаптируемых роботов в области исследования космоса, медицины, производства и реагирования на стихийные бедствия, перенастраиваемые механизмы будут играть все более центральную роль. Исследователи и инженеры должны продолжать внедрять инновации в совместном проектировании, стандартизации интерфейса и автономных алгоритмов реконфигурации для реализации полного потенциала модульной робототехники.

Для тех, кто заинтересован в дальнейшем изучении темы, проект NASA SuperBall предлагает увлекательный взгляд на перенастраиваемых роботов на основе тензегрити, в то время как исследование, опубликованное в IEEE Transactions on Robotics , обеспечивает углубленное исследование модульных систем роботов. Дополнительная информация о модульном совместном дизайне может быть найдена в работе ModLab в Университете Пенсильвании , который выпустил проекты с открытым исходным кодом для перенастраиваемых модулей. Schunk модульная система захвата демонстрирует коммерческое применение этих принципов в промышленной автоматизации.