Запечатлевая движение,
Создавая истории

Случай из исследований команды профессора Циньсинь Мэн из Университета геонаук Китая (Ухань)

Исследователи Университета геонаук Китая (Ухань) разработали трехсекционный континуальный робот переменной длины, вдохновленный формой дождевого червя, диаметром всего 6 мм и приводом на основе пневматических мягких актуаторов. Отражающий маркер, закрепленный на конце робота, отслеживался системой захвата движений NOKOV, что обеспечивало получение трехмерных координат в реальном времени для оценки характеристик и записи траектории конца робота при задачах написания цифр.

Обзор случая

style="text-align: justify; margin-bottom: 10px;">    

Научный контекст

Континуальные роботы для промышленной инспекции и малоинвазивных медицинских исследований должны быть компактными и способными изменять длину в стесненных условиях.

Несмотря на то что жесткие двигатели предлагают отработанные методы управления, их приводные усилия могут быть резкими. Поэтому сочетание миниатюризации, большого диапазона изменения длины и мягкого привода остается сложной задачей, особенно там, где важны безопасные взаимодействия с человеком.

Методология исследования и основные вклады

Вдохновленные деформацией дождевых червей, исследователи создали бестиоморфный континуальный робот переменной длины с миллиметровым диаметром и мягким приводом.

1、 Корпус робота диаметром 6 мм состоит из трехсекционного несущего элемента и передаточных устройств. Пневматические мягкие актуаторы обеспечивают мягкое усилие.

2、 Команда измерила характеристики смещения и усилия от давления для мягких приводов и использовала их для управления передаточными устройствами.

3、 Несущий элемент способен изменять длину и изгибаться. При начальной длине 150 мм он обеспечил изменение длины более чем на 70 мм, при этом каждый сегмент может изгибаться более чем на 120 градусов.

4、 Робот выполнил задачи по написанию цифр, а также был продемонстрирован в сценариях инспекции узких труб и мониторинга полости рта.

 Рисунок 1. Биоинспирированная деформация и система робота. (а) Различные деформации дождевого червя: расслабление, сокращение и изгиб; (b) Бестиоморфный континуальный робот переменной длины с миллиметровым диаметром и мягким приводом, состоящий из корпуса робота (включая несущий элемент и передаточные устройства) и мягких приводов; (c) Различные деформации несущего элемента: расслабление, сокращение и изгиб.

Конструкция роботизированной системы

Корпус робота

Корпус робота объединяет трехсекционный несущий элемент с передаточными устройствами в диаметре 6 мм. Система передачи независимо изменяет длину сегментов и осуществляет изгибающее движение.

Рисунок 2. Корпус робота. (а) Корпус робота, содержащий трехсекционный несущий элемент и передаточные устройства; (b) Упрощенная структура несущего элемента; (c) Магнитная разделяющая шайба (диаметр: 6 мм), в качестве масштаба показан указательный палец; (d) Составные части магнитной шайбы: магнит специальной формы и железная пластина; (e) Отверстия, образуемые магнитом специальной формы и железной пластиной при регулировке угла последней; (f) Различная длина несущего элемента, достигаемая регулировкой длины трех сегментов.

Мягкие приводы

Вдохновленные мягкими мышцами дождевых червей, исследователи разработали мягкие приводы на основе пневматических мягких актуаторов. Измерения зависимости смещения и усилия от давления применялись для характеристики актуаторов и управления передаточными устройствами.

 Рисунок 3. Мягкие приводы. (а) Компоненты и конструкции мягкого привода с большим ПМА (вверху) и мягкого привода с малым ПМА (внизу): ПМА представляет собой силиконовую трубку и волокнистый армирующий слой, две пары линейных направляющих, фиксированную и подвижную части. (b) Характеристики смещения от давления (слева) и усилия от давления (справа) для привода с большим ПМА и привода с малым ПМА. (c) Результаты аппроксимации для привода с малым ПМА (слева) и привода с большим ПМА (справа).

 Рисунок 5. Принцип работы мягких приводов. (а) Роботизированная система, установленная на пространственной раме; (b) Состояние с изменяющейся длиной при накачивании пары мягких приводов; (c) Состояние изгиба при накачивании мягкого привода с малым ПМА.

Роль системы NOKOV в исследовании

Отражающий маркер был закреплен на конце робота и отслеживался оптической системой захвата движений NOKOV. Система предоставляла трехмерные координаты конца в реальном времени для измерения внешних перемещений и оценки характеристик.

Рисунок 6. Экспериментальные стенды и результаты испытаний по изменению длины и изгибу разработанного континуального робота. (а) Стенд для испытания на изменение длины. (b) Начальная и сокращенная длина несущего элемента. (c) Стенд для испытаний на изгиб; (d) Входное давление для мягкого привода с малым ПМА третьего сегмента; (e) Углы изгиба третьего сегмента при разных длинах сегментов.

Экспериментальное подтверждение

Испытание на изменение длины

Несущий элемент длиной 150 мм обеспечил изменение длины более чем на 70 мм, что соответствует скорости изменения 47%.

Испытание изгибных характеристик

Третий сегмент испытывался при трех различных длинах. Накачивание мягкого привода с малым ПМА натягивало соответствующий трос и вызывало изгиб сегмента, при этом его длина могла регулироваться отдельно.

При максимальном входном давлении 0,2 бар измеренные углы изгиба составили:

Результаты подтверждают целесообразность использования мягких приводов на базе ПМА в качестве альтернативы жестким двигателям.

Демонстрация задач робота

Задача по написанию цифр

Конец робота был запрограммирован на выполнение надписей цифр 2 и 6. Во время выполнения задачи система захвата движений NOKOV записывала траекторию конца в реальном времени, демонстрируя гибкое и точное движение.

 Рисунок 7. Процесс написания бестиоморфным континуальным роботом переменной длины. (а) Экспериментальный стенд для задач написания; (b) Система координат и параметры третьего сегмента; (c) Процесс написания цифры 2; (d) Процесс написания цифры 6.

Инспекция узких труб и мониторинг полости рта

Робот также был продемонстрирован в задачах инспекции узких труб и мониторинга полости рта. По сравнению с жестко соединенным роботом, его гибкий корпус и мягкий привод обеспечивают большую адаптивность в стесненных условиях и в исследовательских сценариях, чувствительных к безопасности.

Сведения о статье

Название статьи: Length-Variable Bionic Continuum Robot With Millimeter-Scale Diameter and Compliant Driving Force

Авторы: S. Zhao, Q. Meng, X. Lai, J. She, E. F. Fukushima, and M. Wu

Журнал: IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica

Библиографические сведения: Vol. 12, No. 4, pp. 655-667, April 2025

DOI: 10.1109/JAS.2024.125091

Рекомендуемая цитата: S. Zhao, Q. Meng, X. Lai, J. She, E. F. Fukushima, and M. Wu, Length-Variable Bionic Continuum Robot with Millimeter-Scale Diameter and Compliant Driving Force, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 12, no. 4, pp. 655-667, April 2025, doi: 10.1109/JAS.2024.125091.

Часто задаваемые вопросы

Что измеряла система захвата движений NOKOV?

На конец робота был прикреплен отражающий маркер. Система захвата движений NOKOV измеряла его трехмерные координаты в реальном времени.

Как использовались данные захвата движений?

Данные поддерживали оценку характеристик робота и фиксировали траекторию конца во время задач по написанию цифр.

Насколько робот мог изменять свою длину?

Начиная с начальной длины несущего элемента 150 мм, робот обеспечил изменение длины более чем на 70 мм, что соответствует скорости изменения 47%.

Какие изгибные характеристики показал робот?

При давлении 0,2 бар третий сегмент достиг максимальных углов изгиба 125, 90 и 65 градусов при длинах 50, 40 и 30 мм соответственно.

Какие задачи были продемонстрированы?

В ходе исследования были продемонстрированы задачи написания цифр, инспекции узких труб и мониторинга полости рта.