Гарвардские инженеры создали суставы для роботов по образцу человеческого колена
Инженеры Гарвардского университета разработали инновационный метод проектирования роботизированных суставов, вдохновленный строением человеческого колена. Новая технология, основанная на использовании так называемых контактов качения, способна принципиально повысить эффективность роботов и значительно увеличить силу захвата манипуляторов. Сустав формируется парой криволинейных поверхностей, которые катятся и скользят друг относительно друга, будучи соединенными гибкими элементами.
Ключевое отличие метода заключается в оптимизации формы каждого компонента сустава в зависимости от сил и конкретных задач, которые он должен выполнять. Это позволяет самому суставу эффективно направлять энергию, что сокращает потребность в крупных приводах и сложных системах управления. Как пояснил Колтер Декер, аспирант Школы инженерии и прикладных наук Гарварда и ведущий автор исследования, такая методика позволяет встраивать решения о необходимом усилии непосредственно в механику робота. В результате создаются более эффективные машины, способные использовать приводы меньшего размера, поскольку энергия целенаправленно подается именно туда, где это требуется.
Старший автор работы, Роберт Дж. Вуд, отметил, что цель исследований — перенести как можно больше функций управления движением на механику и материалы робота, чтобы система управления могла сосредоточиться на решении задач высокого уровня. Методы, предложенные Декером, по его словам, решают эту задачу элегантно как с математической, так и с механической точки зрения.
Идея метода родилась из работ по усовершенствованию мягких роботизированных захватов, которые должны аккуратно обхватывать объекты, одновременно прикладывая значительное усилие. Комбинируя жесткие звенья с гибкими суставами, команда изучила контакты качения как способ имитировать кости и хрящи конечностей человека. В ходе испытаний коленообразный сустав, оптимизированный по новому методу, продемонстрировал корректировку смещения на 99% по сравнению со стандартным суставом. Двухпалый роботизированный захват, созданный по той же технологии, смог удерживать вес более чем в три раза превышающий грузоподъемность захвата, собранного на традиционных круглых суставах и шкивах, при равной входной мощности привода.
В отличие от традиционных решений, где используются простые круглые поверхности, метод гарвардской команды позволяет проектировать суставы со сложной, нерегулярной геометрией, которые следуют заданным траекториям и обеспечивают требуемое передаточное отношение сил вдоль этих траекторий. Оптимизированные суставы качения открывают перспективы для широкого спектра применений — от вспомогательных устройств и экзоскелетов до человекоподобных роботов и биомеханических исследований. Данный подход знаменует собой шаг к созданию роботов и устройств, которые двигаются более естественно, решая сложные задачи движения за счет собственной механики, а не полагаясь исключительно на программное обеспечение.
Исследование было в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.