Бионические роботы от немецкого разработчика Festo: применение законов живой природы в робототехнике

Чтобы облегчить жизнь и труд человека, ученые разных стран создают различные роботизированные механизмы для производства и быта. Среди них ярко выделяются бионические роботы немецкой компании Festo.

Бионические роботы Festo

Подражание живой природе

Пытливый ум изобретателей и конструкторов во все времена искал вдохновение в природе. Глядя на птиц, человек мечтал летать и создал крыло самолета. Балластные цистерны подводных лодок — это аналог плавательного пузыря у рыб. Таких примеров множество. Эволюция создала и испытала на живых существах все возможные способы взаимодействия с окружающим миром.

Ученые и инженеры немецкой компании Festo тоже идут путем подражания живым организмам при проектировании и создании своих роботов. Такой подход называют бионикой. А сами механические системы – биороботами.

Компания была основана в 1925 г. и занималась производством промышленного оборудования и электроинструментов. С 2006 г. в ее структуре было выделено отдельное подразделение по бионической робототехнике. Сейчас компания находится в числе мировых лидеров в этой индустрии.

Существующие модели роботов

Практическое значение для промышленности имеют роботы-манипуляторы, рабочим «органом» которых является захват, непосредственно контактирующий с обрабатываемой деталью или перемещаемым объектом.

Компанией Festo были разработаны следующие манипуляторы:

  1. OctopusGripper, имитирующий щупальца осьминога. Помимо гибкости, его особенностью являются силиконовые присоски, которые аккуратно захватывают гладкие предметы округлой формы.
  2. FlexShapeGripper был создан в результате изучения способа добычи еды языком хамелеона. Это более универсальный манипулятор, потому как способен захватывать и удерживать предметы различных форм и размеров. Принцип работы следующий: пустотелый силиконовый цилиндр на механическом манипуляторе максимально обволакивает выбранный предмет, после чего из него откачивается воздух. В результате объект оказывается плотно зажатым. Для того чтобы его отпустить, в цилиндр подается воздух.
  3. 3DCocooner, как паук, способен сплетать тонкие каркасные конструкции, только не из паутины, а из полимерной быстроотвердевающей смолы.
Робот-бабочка Festo
Инженеры немецкой компании Festo создают роботов по подобию животных, вдохновляясь природой.

Некоторые бионические роботы Festo – это концепты, глядя на которые пока трудно представить возможности для их практического применения.

Среди них:

  1. SmartBird – это летающая машина, имитирующая движения и взмахи крыльев морской чайки. Форма робота напоминает очертания живой птицы, что придает ему хорошие аэродинамические характеристики.
  2. BionicFlyingFox – крылатый летающий робот, формой и движениями напоминает летучую лисицу, с которой был скопирован.
  3. Способ перемещения наземного робота BionicWheelBot был перенят у пустынного паука, который чередует ходьбу с кувырками. Членистоногому это помогает при преодолении пространств, покрытых сухим песком, в котором утопают лапки.

Также существуют концепты в виде бабочки (eMotionButterflies), муравья (BionicANT) и стрекозы (BionicOpter).

Мини-кенгуру

В 2014 г. компания представила разработку под названием BionicKangaroo. Прототипом стал австралийский кенгуру.

Инженерам было важно воссоздать принцип движения животного, которое для своих прыжков использует не только мускульную силу.

В момент приземления сухожилия на ногах млекопитающего сжимаются, а в момент толчка отдают накопленную таким образом энергию. Это увеличивает дальность прыжка при меньшей затрате энергии, сберегая силы, необходимые для преодоления больших расстояний.

Кенгуру-бионик имеет рост 1 м и вес 7 кг. При этом он может прыгать на 80 см в длину, поднимаясь в воздух на 40 см. Прыжок осуществляют пневматические толкатели, воздух в которые подается компрессором.

Роль сухожилий отводится резиновым пружинам. Равновесие сохраняется за счет передних лап и хвоста, оснащенных сервоприводами, команды на которые подает интеллектуальная адаптивная кинематическая система. Питание электрическое, от аккумуляторной батареи.

Робот-кенгуру Festo
Бионический Кенгуру — наглядная демонстрация возможности механических систем получать энергию из движения.

Медуза компании Festo

Инженерами компании были разработаны и сконструированы сразу 2 модели:

  1. Робот AirJelly – это летающая сфера со свисающими вниз псевдощупальцами. Закачанный в полость бионической медузы гелий создает подъемную силу, посредством которой робот зависает в воздухе. Небольшие электромоторы заставляют щупальца с лопастями на концах совершать волнообразные движения. Отталкиваясь от воздуха, медуза может грациозно взлетать вверх и перемещаться в стороны.
  2. Водоплавающий бионик AquaJellie перемещается, используя ту же технологию, только в толще воды. Модифицированные AquaJellie 2.0 плавают в составе группы. Программное обеспечение и система коммуникации позволяют нескольким медузам действовать синхронно.
медуза Festo
Роботизированные медузы, обнаруживая друг друга, активируют программу уклонения от столкновений, определяют глубину, на которой находятся (в точности до мм), а во время «голода» могут находить зарядную станцию и подключаться к ней.

Промышленные щупальца

Как щупальца осьминога крепко вцепляются в добычу, так и манипулятор OctopusGripper (захват осьминога) крепко обхватывает предметы.

Выглядит роботизированное щупальце как конечность моллюска, имеет 2 ряда присосок на внутренней стороне вытянутого конического тела. Поверхность и присоски изготовлены из мягких полимерных материалов силиконовой группы.

Механизм, расположенный внутри, многосоставной, благодаря чему он свободно изгибается внутрь после откачки воздуха и обхватывает округлый предмет. В этот момент плотно прижатые присоски прилипают к нему из-за возникшего в них разряжения. После подачи воздуха щупальце разжимается, присоски отпускают предмет.

Разработчики видят перспективы этого механизма в промышленности, где нужно совмещать роботов и ручной труд людей. Мягкий OctopusGripper безопаснее металлических манипуляторов в совместной работе, даже при взаимодействии с человеком.

OctopusGripper Festo
Щупальце бионика OctopusGripper может захватывать предметы разной формы, обвиваясь вокруг них, используя при этом активные и пассивные присоски.

Пневматический робот Bioniccobot

За образец для BionicCobot была взята рука человека от предплечья до кисти. Семь суставов заменены на подвижные шарнирные соединения, а мышцы заменяет система пневматических приводов на основе платформы Festo Motion Terminal.

Кроме электромоторов, компрессоров и пневматических механизмов, она объединяет в себе датчики высокой точности и интеллектуальную программу с возможностью обучения.

BionicCobot может оснащаться различными типами захватов:

  • OctopusGripper;
  • FlexShapeGripper;
  • BionicSoftHand – еще один Festo-робот манипулятор, имитирующий кисть человека с чувствительными подвижными пальцами.

Силу пневматических мускулов можно регулировать и вносить в память устройства, когда и какие усилия нужно применять. После такого обучения движения механической руки становятся плавными и выверенными, почти ничем не отличаясь от маневренности человеческой руки.

Bioniccobot Festo
В зависимости от поставленных задач пневматический робот Bioniccobot, смоделированный по образцу человеческой руки, может быть оснащен различными типами захватов.

BionicMotionRobot

Одной из первых роботизированных систем на основе подражания живой природе был манипулятор, имитирующий хобот слона.

Многосоставная подвижная конструкция не ограничена линейными движениями, а способна изгибаться, что дает ей преимущество и свободу маневра там, где другие механические руки будут натыкаться на препятствия.

Движущей силой BionicMotionRobot стала пневматика. Мощности манипулятора хватает, чтобы удерживать и перемещать по сложным траекториям предметы с разными весом и размером.

Недостатком конструкции с пневмодвижителями можно считать невозможность добиться высокой точности производимых операций. Выходом из положения может стать совмещение механизма с шаговыми электродвигателями и сервоприводами там, где точность позиционирования необходима.

BionicMotionRobot
Естественным прототипом робота BionicMotionRobot является хобот слона, что обеспечивает ему 12 степеней свободы; бионик может манипулировать объектами, сопоставимыми по весу с его собственным (до 3-х кг).

Сверхпроводники Supramotion

В 2014 г. немецкая компания представила публике разработки на основе сверхпроводимости SupraMotion 2.0. Охлажденные до сверхнизких температур сверхпроводники генерируют мощные магнитные поля, в которых возможно бесконтактное перемещение рабочих объектов.

Разработки:

  1. SupraHandling 2.0 – это перемещение объекта по прямым траекториям в 3 направлениях: вправо-влево, вверх-вниз, вперед-назад.
  2. SupraShuttle – перемещение объекта в вакуумной среде или камере высокой чистоты на установленном расстоянии в любом возможном направлении.
  3. SupraChanger – бесконтактная контролируемая оператором передача вращательного движения на магниты, висящие в поле, создаваемом сверхпроводником.

SupraMotion 2.0 разрабатываются для технологии автоматизации процессов.

Ссылка на основную публикацию