CC BY
49
Пирухин Виталий Александрович, канд. воен. наук, ст. науч. сотр. 241 лаборатории военного института (научно-исследовательского), Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Исупов Александр Анатольевич, старший научный сотрудник 243 лаборатории военного института (научно-исследовательского), Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
ALGORITHM FOR CALCULATING THE ERROR IN ESTIMATING THE PARAMETERS OF THE MOTION OF A SPACE OBJECT USING A MODIFICATION OF THE METHOD OF SPACE TRIANGULATION BY REDUNDANT MEASUREMENT INFORMATION
I.A. Fadin, V.A. Pirukhin, A.A. Isupov
The article proposes a way to increase the efficiency of solving the problem of warning about dangerous situations in near-Earth space by creating an orbital segment of an automated warning system about dangerous situations in near-Earth space. An algorithm has been developed for calculating the error of estimating the parameters of the motion of a space object using a modification of the method of space triangulation based on current measurement information based on the Kalman filter.
Key words: monitoring of outer space, accuracy, error, method of space triangulation.
Fadin Ilya Alekseevich, candidate of technical sciences, doctoral, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky,
Pirukhin Vitaliy Alexandrovich, candidate of military sciences, senior researcher 241 laboratories of the Military institute (research), Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named А.F.Mozhaysky,
Isupov Alexander Anatolyevich, senior researcher 241 laboratories of the Military institute (research), Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named А.F. Mozhaysky
УДК 004.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-51-56
ЭВОЛЮЦИЯ И ПРОБЛЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ МЯГКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
А.А. Жиленков, А.А. Силкин, В.Г. Лещинский
Мягкие роботы в основном состоят из легко деформируемых материалов, таких как жидкости, гели и эластомеры, которые могут соответствовать определенным материалам в процессе, называемом соответствием требованиям. Соответствие требованиям - это принцип, согласно которому материалы, соприкасающиеся друг с другом, должны обладать одинаковой механической жесткостью, чтобы равномерно распределять внутреннюю нагрузку и минимизировать концентрацию межфазных напряжений.
Ключевые слова: робототехника, легко деформируемый, мягкий робот, приводы, жидкость, привода, полимеры, пневматика.
Введение. Область робототехники - это сочетание науки, технологий и инженерии. Основная цель робототехники - производство интеллектуальных машин. Первым шагом создания робота является механическое конструирование конструкции в соответствии с потребностями и их будущим назначением. Робототехника объединяет области машиностроения, электротехники, информатики, мехатроники, электроники, биоинженерии, вычислительной техники, управления, разработки программного обеспечения, математики и т.д. Мягкая робототехника — это развивающаяся область, которая опирается на имитацию механизмов передвижения мягких тел, существующих в природе, для достижения плавного и сложного движения. Среди тех "мягких тел", которые могут двигаться в сложных условиях, дождевые черви, змеи, личинки насекомых, осьминоги и угри представляют широкий спектр различных стратегий, разработанных годами, из которых мы можем черпать вдохновение [1-3]. Подобно осьминогу, протискивающемуся в узкое отверстие, или гусенице, катящейся по неровной местности, мягкий робот должен адаптировать свою форму и стратегию передвижения к широкому спектру задач, препятствий и условий окружающей среды. Этот новый класс эластично мягких, универсальных и биологически вдохновленных машин представляет собой захватывающую и высоко междисциплинарную инженерную парадигму, которая может революционизировать роль робототехники в здравоохранении, полевых исследованиях и совместной помощи людям. Поскольку мягкие роботы состоят
51
из материалов, соответствующих податливости биологической материи, они механически биосовместимы и способны выполнять жизнеподобные функции. Эти функции потенциально приведут к появлению множества перспективных новых технологий, мягких носимых роботов для помощи человеку в двигательном движении и полевых роботов с биологическим вдохновением для автономных исследований до мягких и легких кооперативных роботов, которые безопасно взаимодействуют с людьми. В настоящее время мягкие роботы производятся с использованием технологий мягкой литографии, которые устраняют необходимость в медленном и дорогостоящем изготовлении в чистых помещениях и вместо этого полагаются на формование копий и трансферную печать [2-4]. Шаблоны изготавливаются с помощью фотолитографии или инструментов быстрого прототипирования, таких как лазерная микрообработка, фрезерование с ЧПУ и 3D-печать. Эти методы позволяют производить недорогое и легко настраиваемое изготовление и позволяют снизить затраты на производство мягких роботов до уровня, конкурентоспособного с обычными роботами, изготовленными из твердого пластика. Более того, искусственные мышцы, кожа и нервная ткань, которые поддерживают функциональность робота, в конечном итоге могут быть изготовлены с помощью трафаретной литографии, рулонного производства и прямой струйной печати. Например, резина PDMS толщиной в миллиметр, в которую встроены 0,1% объемной доли микрофлюидных жидких галлий-индиевых каналов, будет стоить примерно 100 долларов за квадратный метр, что примерно на тот же порядок, что и цена продажи гибкой медной цепи на полиэстере.
Приведение в действие. Приводы пневматических сетей (пневмосети) являются наиболее распространенными мягкими роботами и состоят из мягкого материала, эластомера, внутри которого жидкости под давлением могут перемещаться по ряду каналов и камер. Когда эти камеры находятся под давлением, захваченная жидкость создает напряжение внутри материала, заставляя материал деформироваться, деформироваться, что приводит к движению привода. Характер этого движения контролируется путем изменения геометрии встроенных камер и свойств материала их стенок. Как правило, каждый сегмент робота из жидкого эластомера изгибается, и этот изгиб обусловлен деформацией материала.
Если робот состоит из одного однородного эластомера (рис. 1), то наибольшее расширение будет происходить на самых тонких структурах, и, таким образом, движение робота будет зависеть от геометрии микрожидкостного контура. Однако материалы с различными свойствами упругости также могут быть использованы для обеспечения дальнейшего контроля за поведением привода.
Например, на этом рисунке показано, как получить однонаправленный изгиб. Этот привод состоит из двух слоев, один из которых растяжимый, а другой нет, но оба имеют одинаковый размер L0. Под давлением верхняя поверхность будет напряжена так, что ее новая длина составит L0+ AL. При этом нижняя поверхность останется нерастянутой, что приведет к изгибу привода. Изгиб -это основное, примитивное движение робота из жидкого эластомера. Обычно мягкие роботы состоят из двух частей, как в этом примере, где более жесткий слой называется «ограничительным слоем», а слой, содержащий каналы и камеры, называется «внешним слоем». Однако существуют и более сложные приводы с большим количеством деталей.
Этот вид мягких роботов, состоящий из двух материалов, обычно состоит из двух силиконовых эластомеров: Ecoflex и полидиметилсилоксана (PDMS). Эти два эластомера хорошо сцепляются друг с другом, обладают разной, но хорошо подходящей жесткостью, легко формуются и относительно недороги. PDMS имеет твердость по Шору A * 50, в то время как Ecoflex имеет твердость ниже шкалы Шора A (он разрушается только при максимальной деформации 900%). В результате PDMS идеально подходит для ограничивающего слоя, поскольку имеет ограниченный диапазон деформации, в то время как Ecoflex более гибкий и, следовательно, более подходящий для использования в качестве внешнего слоя. Вместо использования эластомеров с различной жесткостью, другие технологии также позволяют управлять движением приводов. Исполнительный механизм может быть изготовлен из одного эластомера, но ограничивающий слой может содержать волокно, бумагу или пластиковую пленку для получения свойства нерастяжимости, необходимого для приведения в действие. Кроме того, существуют усиленные волокном приводы, которые состоят из простого пневмопривода, обернутого нерастяжимыми усилителями, которые позволяют управлять их движением.
Фоточувствительные приводы функционируют с использованием жидкокристаллических эластомеров (LCE), интеллектуальных материалов, которые могут значительно изменять форму при освещении видимым светом.
Приводы из диэлектрических эластомеров (DEA) (см. рис. 2) работают с электроактивными полимерами, которые деформируются при наведении электрического поля. Обычная конструкция при-
водов этого типа заключается в захвате мягкой изолирующей эластомерной мембраны между двумя совместимыми электродами. Когда между электродами подается напряжение, возникающее электрическое поле вызывает уменьшение толщины и увеличение площади мембраны.
(a) Dielectric elastomer (Ь)
Compliant electrode
Рис. 2. Механизм привода из диэлектрического элаестомера
Приводы с двигателем внутреннего сгорания (CDAs) используют воспламенение горючих смесей для приведения в действие. Эти приводы функционируют так же, как и пневматические приводы, за исключением того, что они приводятся в действие газом под давлением, которое создается непосредственно внутри робота. Этот сжатый газ получают в результате реакций, превращающих небольшое количество жидкого топлива в большое количество сжатого газа (см. рис 3). Этот тип привода использо-
вался, например, для приведения в действие «ОсШЬоЬ). разработанного в Гарварде (см. рис 4).
liquid 1 exhaust channel liquid 2 LA
О combustion chamber v N и. 1 Рис. 3. Механизм привода щ. / * г сДВС
Рис. 4. Модель мягкого робота «Octobot»
Изготовление. Для создания мягких роботов наиболее часто используемым производственным процессом является мягкое литографическое формование, основанное на литье эластомера в формы, полученные методом мягкой литографии или 3D-печати. Этот процесс изготовления обычно состоит из трех этапов (см. рис 5):
Molding
Рис. 5. Диаграмма производственного процесса создания мягкого робота
• Мягкий робот состоит из двух частей: внешнего слоя, содержащего модель желаемой структуры канала, и ограничивающего слоя, обладающего нерастяжимыми свойствами (из-за различной жесткости), необходимыми для приведения в действие. Каждый слой формуется путем заливки силиконовой резины в каждую форму и отверждается.
• Затем два отвержденных слоя извлекают из формы, соединяют с помощью тонкого слоя не-отвержденного эластомера в качестве клея и отверждают вместе.
• Наконец, после завершения отверждения окончательный привод извлекается из формы.
Очевидно, что некоторые мягкие роботы более сложны и требуют большего количества шагов
для их создания, но процесс изготовления, в целом, остается прежним.
2. Преимущества:
• Мягкие роботы создаются из относительно недорогих материалов
• Предотвращение столкновений, поглощение ударов и предотвращение травм
• Роботы пригодны для взаимодействия с человеком
• Те же эластичные и реологические свойства, что и у мягкого биологического материала (соответствие требованиям)
• Преимущества мягких конструкций роботов по сравнению с полностью обычными конструкциями роботов могут заключаться в меньшем весе и повышенной безопасности
• Преимущества, которые представляют материалы, используемые в мягкой робототехнике (мягкие, легкие, биосовместимые, совместимые), также предоставляют возможность создавать мягкие протезы, приводимые в действие искусственными и естественными мышцами и управляемые с помощью когнитивных команд, жестов тела и встроенных датчиков.
• Конечности жестких РТК могут сгибаться и разгибаться только вокруг одних и тех же осей, что позволяет комплексу двигаться только по математически рассчитываемой траектории. Для снижения вероятности столкновения РТК с препятствиями необходимы наличие обратной связи и тщательный расчет движения комплекса и его конечностей, но даже в такой ситуации движения РТК могут быть беспорядочными или опасными при взаимодействии с людьми, другими предметами, окружающей средой и т.д. Данной проблемы не существует для мягких роботов. Они не требуют серьезных вычислений, изготавливаются из эластичных материалов, могут менять форму, размер, растягиваться, сжиматься, скручиваться в зависимости от типа выполняемой задачи или условий окружающей среды, несмотря на то, что в конструкции некоторых мягких РТК используются пружины и провода для имитации движения мышц или сухожилий.
• Также для использования РТК с жестким корпусом необходимо наличие точной информации о местонахождении объекта, его форме, весе и поверхности, так как требуется проводить расчет траектории движения для каждого манипулятора РТК. Еще одним преимуществом мягких РТК является возможность подстраиваться под форму и размер других объектов
• Больше похоже на живое существо: это помогает лучше понять мертвых животных и существ, поскольку ученые воссоздают их, похожих на реальных существ.
• Манипулирование роботами: Роботы менее жесткие и предлагают невероятный опыт мягкой робототехники.
• Исключительная гибкость: они обладают исключительной гибкостью и могут работать в недоступных для человека местах.
Недостатки:
• Трудно поддаются контролю
• Менее мощны и точны, чем жесткие роботы
• Вспомогательное оборудование (аппаратное обеспечение) бесполезно: ограничение движения и автономии
• Современная электроника не приспособлена (жесткие опоры)
• Помимо мягкости, эти роботы обладают множеством других важных преимуществ. Поскольку они состоят из материалов, которые соответствуют биологической материи (например, человеческой коже и тканям), мягкие роботы механически биосовместимы и способны выполнять функции, подобные реальным. Кроме того, в мягких роботах используются материалы, которые могут изменять свою форму и эластичную жесткость, которые являются легкими, но также адаптированы для интимного контакта с человеком: удобные, достаточно мягкие, чтобы предотвратить травмы, биосовместимые и податливые. Эти функции потенциально приведут к появлению множества перспективных новых технологий в широком спектре социальной, научной и промышленной деятельности в будущем.
• Мягкие роботы, особенно те, которые созданы для имитации жизни, часто должны испытывать циклическую нагрузку, чтобы двигаться или выполнять задачи, для которых они были разработаны. Например, в случае робота, похожего на миногу или каракатицу, движение потребовало бы электролиза воды и воспламенения газа, вызывая быстрое расширение, чтобы продвинуть робота вперед. Это повторяющееся и взрывное расширение и сжатие создало бы среду интенсивной циклической нагрузки на выбранный полимерный материал. Робота, находящегося в удаленном подводном месте или на уда-
ленной планете, практически невозможно отремонтировать или заменить, поэтому необходимо позаботиться о выборе материала и конструкции, которые сводят к минимуму возникновение и распространение усталостных трещин.
• обнаружили, что приводы жидкости — устройства, которые фактически оживляют роботов
- медленно включаются из-за огромного количества жидкости, необходимой для движения, или из-за того, что их поток замедляется различными структурами внутри устройство (например, трубки и клапаны).
Заключение. Проектирование мягких роботов требует совершенно новых моделей в их механике, источниках питания и управлении. Однако переосмысление материалов, стратегий проектирования и технологий изготовления должно открыть новые области мягкой робототехники в макро- и микромасштабах во многих областях (здравоохранение, помощь людям, полевые исследования и т.д.). Мягкая робототехника представляет собой экстраординарное решение для любого применения, предполагающего тесный контакт с человеком или требующего универсальности и многофункциональности, наблюдаемых в природе. Хотя они находятся на ранних стадиях, мягкие роботы должны иметь множество применений во многих приложениях в ближайшие годы.
Список литературы
1. J. Burgner-Kahrs, D. C. Rucker and H. Choset, Continuum Robots for Medical Applications: A Survey // IEEE Transactions on Robotics, vol. 31, no. 6, pp. 1261-1280, Dec. 2015, doi: 10.1109/TRO.2015.2489500.
2. Жиленков, А. А. Повышение степени отказоустойчивости в сложных программно-аппаратных системах сетевого управления / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Датчики и системы. - 2019.
- № 12(242). - С. 11-17. - DOI 10.25728/datsys.2019.12.2. - EDN STHYSP.
3. Жиленков, А. А. Обзор существующих и перспективных применений технологий искусственного интеллекта в проектировании и работе систем активных фазированных антенных решеток / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Интеллектуальные системы в производстве. - 2019. - Т. 17, № 4. - С. 94-99.
- DOI 10.22213/2410-9304-2019-4-94-99. - EDN SWTMCG.
4. Albu-Schaffer A. Soft robotics // IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 15, no. 3, pp. 2030, September 2008, doi: 10.1109/MRA.2008.927979.
5. Xiloyannis M. Soft Robotic Suits: State of the Art, Core Technologies, and Open Challenges // IEEE Transactions on Robotics, vol. 38, no. 3, pp. 1343-1362, June 2022, doi: 10.1109/TR0.2021.3084466.
6. Жиленков, А. А. Система отказоустойчивого управления критически важными объектами морского транспорта с элементами интеллектуального управления / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Законодательная и прикладная метрология. - 2019. - № 6(163). - С. 38-42. - EDN FNRZJM.
Жиленков Антон Александрович канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедры, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Силкин Артем Анатольевич канд. техн.наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Лещинский Владислав Георгиевич бакалавр, [email protected], , Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
EVOL UTION AND PROBLEMS OF THE IMPLEMENTA TION OF SOFT ROBOTICS SYSTEMS A.A. Zhilenkov, A.A. Silkin, V.G. Leshchinsky
Soft robots are mostly made up of easily deformable materials such as liquids, gels, and elastomers, which can conform to certain materials in a process called conformance. Compliance is the principle that materials in contact with each other must have the same mechanical stiffness in order to evenly distribute the internal load and minimize the concentration of interfacial stresses.
Key words: robotics, easily deformable, soft robot, drives, liquid, drives, polymers, pneumatics.
Zhilenkov Anton Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, zhilen-kovanton@gmail. com, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University,
Silkin Artem Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University,
Leshchinsky Vladislav Georgievich, bachelor, leschinskiy@smtu. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University
