Запечатлевая движение,
Создавая истории

Недавно последнее достижение исследовательской группы под руководством профессора Чжоу Итунга из Южно-китайского университета технологий, "Мягкий робот-рыбак, вдохновленный манта-скатом, для высокоскоростного и многофункционального плавания," было принято на Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS 2024).

Исследовательская группа предложила новый мягкий роботизированный пловец, вдохновленный манта-скатами, с двустабильными колеблющимися крыльями, приводимыми искусственными мышцами McKibben. Максимальная скорость плавания составляет 12,23 см в секунду, а максимальная угловая скорость поворота - 22,5 градуса в секунду. Робот также способен к многомодальному плаванию, включая движение вперед и назад, повороты и вращения на месте.

Система захвата движения NOKOV предоставила данные о скорости в реальном времени для роботов, плавающих, фиксируя их состояние движения при различных условиях управления, что способствовало оптимизации производительности и дизайна роботов.

Цитата

Z. Xu, J. Liang, Y. Zhou, "Мягкий робот-пловец, вдохновленный манта-скатом, для высокоскоростного и мультимодального плавания," на 2024 IEEE/RSJ Международной конференции по интеллектуальным роботам и системам (IROS 2024).

Фон

Манта-рыбы могут быстро и эффективно передвигаться с помощью гибких колеблющихся крыльев, достигая коэффициента эффективности тяги до 89%. Исходя из этого, исследователи разработали несколько мягких роботизированных пловцов, использующих принцип колеблющихся крыльев для экологического мониторинга, глубоководных исследований и инспекции аквакультуры. Однако, ограниченные низкой жесткостью и вязкостью мягких материалов, эти роботы могут двигаться только с низкой скоростью и использовать простые режимы плавания. Для разработки быстрых и эффективных мягких роботизированных пловцов команда профессора Чжоу Итонга предложила конструкцию бистабильного крыла, основанную на механически преднапряженных композитных материалах, способных к высокоскоростному движению и обеспечивающим разнообразные режимы плавания, предоставляя новую техническую поддержку таким областям, как подводные исследования и экологический мониторинг.

Экспериментальный процесс

Исследовательская группа создала бистабильные колеблющиеся крылья с простой структурой, высокой скоростью производства и настраиваемой морфологией, предварительно растянув перекрестные эластомерные слои с обеих сторон тонкой пластины PET. Легкие искусственные мышцы McKibben встроены с обеих сторон крыльев для приведения в действие пружинного эффекта крыльев, которые имеют преимущества низкого потребления энергии, небольшого размера и минимального влияния со стороны подводной среды по сравнению с металлическими сплавами с памятью формы и диэлектрическими эластомерными актуаторами. Управляя давлением, приложенным к различным актуаторам McKibben, можно достичь мультимодального плавания, включая движение вперед и назад, повороты и перевороты.

Дизайн и бистабильные формы мягкого робота, вдохновленного манта- rays. (a) Структурный дизайн робота. (b) Два стабильных состояния робота I и II. В состоянии II пневматическое приведение в действие искусственных мышц McKibben (A) (P2>0) приводит к тому, что крыло щелкает в стабильное состояние I, и наоборот, V обозначает направление плавания.

Была создана экспериментальная пневматическая платформа для обеспечения робота различными давлениями и частотами движения, а система захвата движения NOKOV фиксировала скорость движения робота при разных условиях движения, включая трансляционную скорость и угловую скорость вращения, проводя различные модальные демонстрационные эксперименты.

Результаты показали, что предложенный робот-радужка обладает мультимодальными способностями к плаванию, достигая максимальной трансляционной скорости 12,23 см/с и угловой скорости поворота 22,5°/с в бистабильном режиме, что более чем в два раза превышает показатели моностабильного режима. Это исследование предоставляет новую парадигму для проектирования роботов, похожих на мант, с высокой скоростью и мультимодальными способностями к плаванию. Будущие направления исследований включают неконтролируемое проектирование плавательных роботов и дальнейшее улучшение энергетической эффективности плавания роботов по сравнению с фактической эффективностью мант.

Система захвата движения NOKOV предоставила данные о скорости в реальном времени для роботов, плавающих, фиксируя их состояние движения при различных условиях управления, что способствовало оптимизации производительности и дизайна роботов.

Введение автора

Цзефэн Сюй, аспирант Южно-Китайского университета науки и технологий. Основные направления исследований включают моделирование робототехнической механики и технологии интеллектуального управления. В качестве первого автора он опубликовал 4 статьи в журналах, таких как RAL и JBE, и 3 статьи на международных конференциях EI. Он был финалистом премии за лучшую статью на Международной конференции по робототехнике и биомиметике 2022 года (IEEE ROBIO).

Цзяньцяо Лян, магистрант Южно-Китайского университета технологий. Основные направления исследований включают подводных роботов, мягких роботов и проектирование стратегий управления.

Yitong Zhou (Ответственный автор), доцент и научный руководитель аспирантов в Школе интеллектуальной инженерии имени Шиен-Минга Ву Южно-Китайского университета технологий. Она была финалистом премии за лучшую статью на 2022 Международной конференции по робототехнике и биомиметике в качестве наставника, а также премии за лучшую статью 2022 года в Журнале механизмов и робототехники. Она опубликовала 24 научные статьи в известных журналах и на конференциях, таких как IEEE TRO / IEEE TIM / IEEE Sensors / ASME JMR / RAL / ICRA / IROS.