Многие, кто интересуется робототехникой, могут рассказать об интересных приводах, используемых в робототехнических устройствах: кто-то вспомнит виброприводы шагоходов, а кто-то даже упомянет перистальтический привод…
Тем не менее, есть ещё как минимум два вида интересных приводов, думаю что, малоизвестных широкой публике. Именно о них и пойдёт рассказ.
Одним из таких интересных приводов являются построенные на базе так называемых «электроактивных полимеров».
▍ Электроактивные полимерные приводы
Эти полимеры представляют собой системы, которые могут изменять физические размеры после приложения питающего напряжения.
При этом некоторые из них могут значительно изменять свои физические размеры (как правило, они основаны на каучуке или гибких полимерах), в то время как другие — лишь незначительно, демонстрируя пьезоэлектрический эффект.
В рассмотрении ниже мы сконцентрируемся на одном из типов привода из первой системы. Отметим только, что существует большое количество видов электроактивных полимеров, подробное рассмотрение которых выходит далеко за рамки одной статьи. Они находят применение во множестве областей: от создания тактильных дисплеев для слепых до амортизаторов для машин и искусственных мышц.
В дальнейшем мы увидим, что систему первого типа, то есть меняющую свои размеры в больших пределах, можно собрать самостоятельно — и это довольно легко!
При этом область электроактивных полимеров не является новым изобретением — принято считать, что первыми работами в этой области являются эксперименты Рентгена в 1880 году.
Он разработал экспериментальную установку, на которой впервые протестировал возможность изменения физических размеров под влиянием электрических зарядов. Растянув полоску каучука (закрепив её на одном конце и подвесив на другом груз), он наносил на её поверхность электростатические заряды, что приводило к изменению её размера.
Современная итерация такого эксперимента с измерениями результатов показана ниже:
Картинка: pmc.ncbi.nlm.nih.gov
Как можно видеть, резиновая лента закреплена сверху, а снизу к ней подвешен груз; с двух сторон подведены игловидные электроды, к которым подключены полюса высоковольтного источника питания, что даёт коронный разряд на концах игл и перенос зарядов на поверхность резиновой ленты.
В качестве подопытной ленты использовалась эластомерная акриловая лента (VHB 4910 фирмы 3М) размерами 100х50х1 мм.
Для экспериментов применялось заряжание ленты напряжениями в 14, 17, 20 кВ, что дало растяжение ленты на 1,15; кроме того, был проведён тест и напряжением в 23 кВ, что увеличило растяжение до 1,2.
Было обнаружено, что напряжение в 23 кВ является предельным, так как дальнейшее его повышение может привести к электрическому пробою ленты.
Кроме того, было обнаружено, что по мере растяжения разность потенциалов уменьшается, и максимум достигается примерно при 17 кВ. Этот момент явно не объясняется, но я понимаю это так: при растяжении происходит «размазывание» зарядов по увеличившейся поверхности, что, в свою очередь, уменьшает величину разности потенциалов для любой точки поверхности.
В графическом виде результаты тестов можно посмотреть ниже:
Картинка: pmc.ncbi.nlm.nih.gov
Вертикальная ось графика выше показывает так называемое «вторичное растяжение», под которым подразумевается возрастающее растяжение по мере накопления зарядов.
С помощью такого подхода можно создавать также и линзы динамически изменяющегося диаметра и фокусного расстояния.
Например, ниже показан эксперимент, где капля воды была заключена между двумя слоями эластомера, где две внешние поверхности его заряжались с помощью коронного разряда на игольчатых электродах, напряжение на которых плавно увеличивалось с 0 до 15 кВ.
Увеличение значения питающего напряжения приводит к утончению линзы и увеличению её фокусного расстояния. Таким образом, фокусное расстояние линзы в эксперименте ниже может плавно изменяться в пределах от 210 до 266 мм.
При выключении питающего напряжения линза возвращается к исходному состоянию за несколько секунд, где это время может быть уменьшено с помощью реверса питающего напряжения на электродах:
Картинка: pmc.ncbi.nlm.nih.gov
Более подробно обо всём этом можно прочитать вот здесь.
По схожей технологии создаются дисплеи с обновляющимся шрифтом Брайля, которые могут читать слепые. Выпуклые точки формируются в виде массива с индивидуальным питанием каждой точки (при этом для заряда используются поверхностные электроды).
Говоря в целом об электроактивных полимерах, можно сказать, что такой способ привода представляет собой обычный конденсатор, где в качестве обкладок выступают поверхности диэлектрика, а величина заряда такого конденсатора зависит от его площади и толщины:
Картинка: Youtube-канал «Malcolm Moreno»
На заряды действуют кулоновские силы, притягивающие заряды с разным знаком друг к другу.
Так как в качестве диэлектрика используется эластомер, то заряды выступают в качестве своеобразных «прессов», оказывающих давление на его поверхности.
Это приводит к тому, что, по мере накопления заряда, эластомер стремится уменьшиться по толщине, и, соответственно, увеличиться по ширине и длине.
Понятно, что использование коронного разряда для заряжания поверхности является не совсем удобным с практической точки зрения, поэтому используют разнообразные гибкие электроды, наносимые на поверхности гибких эластомеров.
Один из способов создания подобного показан ниже, где резиноподобный прозрачный эластомер с двусторонней липкой поверхностью растягивается на раму (чтобы любые деформации были хорошо видны), после чего на каждую сторону его наносится по кружку из углеродной токопроводящей смазки, к ним подводится питание с помощью полосок медного самоклеящегося скотча.
Затем к каждому из кружков подводится питание от высоковольтного источника с максимальным значением в 7 кВ, что приводит к существенным визуально наблюдаемым деформациям эластомерного прозрачного круга:
Такой способ создания приводов достаточно терпим к применяемым подходам, например, ниже показано, что точно такого же типа привод может быть создан с помощью простого нанесения порошкообразного угля с помощью мягкой кисточки:
Наверху был показан способ, при котором формируются токопроводящие кружки в центре. Существует также альтернативный вариант, когда токопроводящий круг покрывает всю поверхность, а центральный маленький кружок остаётся незадействованным. Это позволяет прикрепить простейшую пружину в виде изогнутых эластичных пластинок, которые приподнимают растянувшийся круг вверх, делая деформации более наглядными. В таком растянувшемся состоянии круг начинает напоминать по внешнему виду звуковой динамик (см. с 4:00):
Примечание: и в том, и в другом случае не забываем, что круги представляют собой конденсатор и прикасаться к ним во время работы не следует, иначе есть риск получить удар током!
Как можно было видеть в самом первом видео выше, подобные системы могут применяться как в качестве приводов для роботизированных пальцев, так и для реализации машущего полёта, а также в качестве средства реализации линейного перемещения достаточно большого веса.
Например, ниже показан эксперимент с подъёмом 10 кг с помощью такого актуатора:
В качестве основной идеи для такого устройства взято штабелирование описанных выше эластомерных мембран, объединённое усилие которых позволяет добиваться таких впечатляющих результатов.
Подробное научное описание этого эксперимента (полное описание конструкции устройства, а также условий проведения эксперимента) можно найти вот здесь.
На основе такого принципа может быть построен даже двигатель, реализующий вращательное движение:
В завершение можно сказать, что интересным развитием идеи электроактивных полимеров является появление ионных полимерно-металлических композитов, появившихся в начале 1990-х годов. В отличие от классических электроактивных полимеров, для своей активации они требуют достаточно низких напряжений (1-5 Вольт) и представляют собой пластинки из ионных полимеров наподобие Nafion или Flemion, с покрытием металлическим золотом или платиной.
▍ Электроадгезионные приводы
В классическом понимании адгезия (от лат. adhaesio — «прилипание») представляет собой эффект слипания разнородных физических тел и/или жидкостей.
Однако существует интересный подвид, который позволяет реализовывать удивительные устройства (даже самодельных роботов, способных передвигаться по вертикальным стенам!) — так называемая «электроадгезия». Этот эффект слипания возникает под воздействием приложенного питающего напряжения и сопутствующего электрического поля.
По своей сути, этот эффект позволяет реализовывать так называемые «актуаторы с сухим клеем», позволяя робототехническим устройствам захватывать целевые объекты или приклеиваться к ним.
Как устроен типичный блок электроадгезии у актуаторов: слой диэлектрика плотно прижимается к целевой поверхности, и прямо над ним располагается токопроводящая пластина, закрытая сверху изолятором:
Картинка: mdpi.com
Однако приведённая выше схема несколько упрощена, так как обычно пластины располагаются попарно: к одной из них подключен плюсовой контакт, а к другой — минусовой контакт высоковольтного источника питания:
Картинка: mdpi.com
На картинке выше механизм работы устройства показан достаточно подробно, я же скажу более просто, для облегчения понимания: при приложении высокого питающего напряжения на пластинах, возникает электрическое поле, которое приводит к перераспределению зарядов на целевой поверхности (полезный удерживаемый объект, вертикальная стена здания и т. д.) Эти заряды, противоположные по знаку тем, которые имеют электрические пластины, взаимодействуют с полем.
Так как противоположные по знаку заряды притягиваются, между целевым объектом и актуатором возникает притягивающая сила, плотно прижимающая актуатор к этому объекту.
По результатам экспериментов было выявлено, что эта сила выходит на максимальное значение за период менее 1 секунды (по некоторым оценкам, даже менее 50 миллисекунд).
Почему токопроводящий электрод не напрямую прижимают к целевой поверхности, а используют посредник, в виде диэлектрика: чтобы образовался конденсатор, где одной обкладкой выступает токопроводящая пластина, а другой — целевая поверхность.
Почему токопроводящие пластины сверху покрывают изоляцией: чтобы исключить вероятность пробоя между пластинами или утечек (через коронный разряд).
Подобный привод весьма просто собрать самостоятельно: в самом простом варианте подойдёт даже «бутерброд» из двух кусочков пищевой фольги, уложенной на пластиковый лист снизу (в качестве которого подойдёт даже прозрачная плёнка-обложка A4 для презентаций, часто используемая в офисах). После этого фольга сверху заклеивается обычным скотчем. Вот и всё, привод готов! Останется только подключить источник высокого напряжения к пластинам и установить его на соответствующего робота…
Более подробно о результатах испытаний (в виде графиков) на силу удержания привода на различных поверхностях (алюминиевая пластина, стекло, кирпичная стена, бетон, керамическая плитка) вы можете прочитать вот здесь. Специально не привожу их здесь, так как с этими графиками следует достаточно большой объём расшифровок и пояснений, поэтому с этим лучше ознакомиться там.
Кстати, о силе: подобные приводы могут быть весьма мощными, сочетая мощность, малый вес и энергоэффективность.
Например, здесь можно посмотреть, как такой компактный привод, или, как они его называют «захват» (clutch), удерживает вес в 13,61 кг.
А ниже показано практическое применение этого привода для экзоскелета: когда во время одной из фаз ходьбы резиновая пружина взводится и удерживается во взведённом положении, после чего отпускается в другой фазе ходьбы, облегчая необходимое усилие ходьбы для людей с ограничениями в движении:
Сочетание двух описанных выше технологий — электроактивного привода и электроадгезии — позволяет реализовывать гибкие захваты роботов, которые, на первый взгляд, сочетают несочетаемые подходы: мощность удержания и бережность. Это позволяет поднимать как тяжёлые предметы, так и хрупкие объекты, например, клубнику или помидоры, не раздавливая их.
Или раскладывать бережно ткань:
Реализовывать приводы для роботов-штабелёров:
Такие приводы активно применяются известными компаниями, например, компания Nike уже активно использует электроадгезионные приводы для сборки верхней части кроссовок, что является одним из наиболее трудоёмких этапов процесса производства, однако такие приводы уже позволили ускорить этот процесс в 20 раз.
Тем не менее, на мой взгляд, одним из наиболее впечатляющих применений этих приводов является использование их в роботах, перемещающихся по вертикальным стенам без какого-либо дополнительного удержания (подвесов, пневматических присосок и т. д.):
Подытоживая, можно сказать, что простота принципов, лежащих в основе этих технологий, и возможность их реализации из самых простых и доступных материалов делают описанные технологии вполне применимыми даже в самодельных устройствах, предоставляя новые неожиданные возможности.
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: DAN_SEA
