Может ли «мягкая робототехника» открыть новые горизонты для жестких роботизированных манипуляторов?

Стремление человечества заменить ручной труд машинами не ново — и время от времени какой-либо прорыв возрождает эту мечту. В этом году человекоподобные роботы, выпущенные такими компаниями, как Tesla и Xiaomi, вновь привлекли внимание в робототехнической отрасли.

Однако суровая реальность остается неизменной: прежде чем машины смогут полностью заменить людей, необходимо наладить широкое взаимодействие человека и машины. Сегодняшняя робототехника по-прежнему в значительной степени застряла в периоде, когда было мало прорывных продуктов или революционных технологий.

Возьмем в качестве примера роботизированные манипуляторы — одну из старейших и наиболее широко применяемых технологий. Будь то традиционные промышленные манипуляторы или более новые типы, работающие в режиме взаимодействия с человеком, основными целями остаются скорость и точность в производстве. Но по мере роста числа применений, предполагающих тесное физическое взаимодействие с человеком, спрос смещается в сторону безопасности.

В условиях насыщения промышленного сектора рынку роботизированных манипуляторов необходимы новые возможности для роста.

Представьте себе роботизированную руку, которая не только гибкая и безопасная, но и поддерживает интерактивное управление. Такая конструкция выходит за рамки традиционного промышленного применения и открывает двери в сферу услуг и за ее пределы.

Для удовлетворения этого спроса появилось новое поколение роботизированных манипуляторов, отличающихся мягкими, податливыми конструкциями и интеллектуальным управлением. Эти системы выпускаются в различных конфигурациях, таких как версии с изгибающимися шарнирами, телескопическими шарнирами и гибридными жестко-гибкими конструкциями. Эти новые формы основаны на революционных инновациях в материаловедении, конструкции и приводах.

В основе этой эволюции лежит давняя вера в передовые технологии и робототехнику. Фокус сместился на команды дальновидных специалистов и оригинальные технологии, способные кардинально изменить основные роботизированные системы.

В отличие от обычных роботизированных манипуляторов, эти новые мягкие манипуляторы внешне напоминают слоновьи хоботы — гибкие, органичные и подвижные. Такой биомиметический подход представляет собой существенный отход от жестких суставов с электроприводом.

Ключевое нововведение заключается в фундаментальной конструкции системы. Вместо жестких механических шарниров, приводимых в движение двигателями и редукторами, в новых манипуляторах используются массивы гибких «мышечных» шарниров, изготовленных из мягких материалов. Они приводятся в действие жидкостными приводами, известными как системы SlimDrive, обеспечивающими превосходную гибкость и адаптивность.

Эти мягкие актуаторы созданы на основе микрофлюидных технологий и используют точное управление давлением воздуха для приведения движений в действие. Каждый гибкий шарнир обычно состоит из 3–6 мягких актуаторов — оптимизированной структуры для трехмерного движения при минимизации стоимости материалов.

Внутри манипулятора сжатый воздух по взаимосвязанным трубкам поступает в мягкие актуаторы, расширяясь или сжимаясь для управления движением. Изменяя давление воздуха в каждом актуаторе, манипулятор может осуществлять точные и плавные изменения направления движения.

Такая конструкция обеспечивает безопасную работу в сложных условиях, включая взаимодействие человека и машины, замкнутые пространства и среды с большим количеством препятствий. Она особенно ценна для задач, требующих деликатного прикосновения, например, при работе с хрупкими или чувствительными предметами.

На уровне управления алгоритмы по-прежнему напоминают алгоритмы традиционных манипуляторов — отслеживание движения на конце и вычисление обратной кинематики для каждого сустава. Однако увеличение степеней свободы и нелинейность материала усложняют планирование движения, требуя новых подходов для достижения оптимального управления.

Самая большая проблема в мягкой робототехнике заключается в переосмыслении всей архитектуры системы. Поскольку все — от материалов до управления движением — принципиально изменилось, готового решения с открытым исходным кодом, которое можно было бы воспроизвести, не существует.

Но именно это и придает этим системам их явные преимущества:

Беспрецедентная гибкость:

Как и традиционные жесткие манипуляторы, мягкие манипуляторы могут обладать шестью степенями свободы. Но благодаря дополнительным внутренним степеням свободы, обеспечиваемым резервированием приводов, они могут выполнять сложные маневры в ограниченном пространстве, более эффективно избегать препятствий и снижать требования к занимаемому пространству.

Повышение безопасности при взаимодействии человека и машины:

Традиционные манипуляторы, работающие в паре, полагаются на датчики и системы машинного зрения для обеспечения безопасности. Но когда они выходят из строя, присущая им жесткость и инерция все еще могут причинить вред. Мягкие манипуляторы, напротив, по своей природе безопаснее — они легче, более податливы и приводятся в движение сжимаемыми жидкостями, которые поглощают удары.

Легкий, но с высокой грузоподъемностью:

Вес часто является ограничивающим фактором для мобильных и сервисных роботов. Мягкие манипуляторы решают эту проблему, предлагая соотношение полезной нагрузки к весу до 3:1. Например, мягкий манипулятор весом 3 кг может поднимать грузы весом более 10 кг благодаря высокой эластичности приводов и использованию сжатого воздуха вместо тяжелых двигателей.

Более выгодное соотношение цены и качества:

Благодаря своей конструктивной простоте, мягкие манипуляторы исключают многие из самых дорогостоящих компонентов традиционных манипуляторов, таких как двигатели, редукторы и контроллеры, на которые в совокупности приходится более 70% общей стоимости многих роботизированных систем. В результате получается высокопроизводительное решение с более эффективной и масштабируемой цепочкой поставок.

Одним из перспективных вариантов применения мягких роботизированных манипуляторов является их интеграция с дронами. Традиционные роботизированные манипуляторы сложно установить на БПЛА из-за их веса и жесткости. Однако мягкие манипуляторы могут быть спроектированы с учетом жестких требований к пространству и гибкости, что позволяет осуществлять манипуляции в воздухе, дистанционный захват, доставку объектов и инспекцию.

При выполнении инспекционных задач они помогают предотвратить такие проблемы, как заклинивание дверей, перемещение в узких пространствах с оборудованием и проведение безопасных контактных операций. Помимо БПЛА, мягкие манипуляторы будут также интегрированы в мобильные наземные роботы (например, AGV/AMR), открывая путь для новых классов составных интеллектуальных систем.

В сфере услуг будущее выглядит еще более многообещающим. Благодаря низкой стоимости, легкой конструкции, безопасному взаимодействию с человеком и быстрому развертыванию, мягкие роботизированные манипуляторы призваны не заменить традиционные, а дополнить их. В то время как жесткие манипуляторы будут по-прежнему доминировать в тяжелых промышленных приложениях, мягкие манипуляторы готовы открыть новые горизонты в таких развивающихся областях, как уход за больными, логистика, образование и бытовые услуги.