Der schnellste Soft-Jumping-Roboter wiegt nur 1,1 Gramm und wird in China hergestellt!

Springen ist eine sehr wichtige Fähigkeit für Roboter, die es ihnen ermöglicht, ihren Aktionsradius zu erweitern, Hindernisse zu überwinden, sich an viele unstrukturierte Umgebungen anzupassen usw.

Kontinuierliches Springen und Richtungsanpassung sind wesentliche Eigenschaften von Bodenrobotern mit multimodaler Fortbewegung. Allerdings sind derzeit nur wenige Soft-Jumping-Roboter in der Lage, schnelle und kontinuierliche Sprünge sowie kontrollierte Lenkbewegungen zum Überwinden von Hindernissen auszuführen.

Nun hat ein chinesisches Forschungsteam einen elektrostatisch angetriebenen, angebundenen, beinlosen Soft-Hüpfroboter vorgeschlagen, der auf einem weichen elektrostatischen Biegeaktuator basiert. Der Roboter wiegt nur 1,1 Gramm, ist 6,5 Zentimeter lang und 0,85 Millimeter dick. Es kann eine Sprunghöhe von 7,68 Mal seiner Körpergröße und eine kontinuierliche Vorwärtssprunggeschwindigkeit von 6,01 Mal seiner Körperlänge pro Sekunde erreichen. In Kombination mit zwei Antriebseinheiten kann eine Drehgeschwindigkeit von 138,4° pro Sekunde erreicht werden.

Das entsprechende Papier wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Hauptautoren des Artikels kommen von der Universität Chongqing, dem Harbin Institute of Technology, der Universität Shanghai, der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking usw.

Die Forscher integrierten außerdem andere funktionale elektronische Geräte (wie etwa Sensoren) in den Aktuator, um eine Reihe von Anwendungen zu ermöglichen, darunter die Erkennung von Umweltveränderungen. Sie schlugen außerdem vor, dass künftig strukturelle Optimierungen durchgeführt werden sollten, um die Sprungleistung von Softrobotern zu verbessern. Weitere Forschungen zu kabellosen Lösungen könnten die Vielseitigkeit dieser Art von Softrobotern erhöhen.

Innovativer elektrohydraulischer statischer Antrieb

Die Verbesserung der Einzelsprungleistung (Sprunghöhe JH und Sprungweite JD) von Soft-Jumping-Robotern, um ihre Fähigkeit zur Hindernisüberwindung zu verbessern, und die Erhöhung der Sprungfrequenz, um ihre Navigationseffizienz zu verbessern, sind zwei große technische Herausforderungen für Soft-Jumping-Roboter.

Derzeit hat die Industrie weiche oder teilweise weiche Sprungroboter entwickelt, die vorwärts navigieren können. Auch die Antriebsmethoden sind sehr vielfältig und umfassen integrierte Federn, Formgedächtnislegierungen (SMA), magnetische Aktuatoren, photodynamische Aktuatoren, dielektrische Elastomeraktuatoren (DEA), pneumatische Aktuatoren, chemische Aktuatoren, Motoren und Aktuatoren aus Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Bei einigen von ihnen handelt es sich um Sprungroboter mit Energiespeicherung, die normalerweise eine starke Einzelsprungleistung aufweisen, aber aufgrund der Notwendigkeit zusätzlicher elastischer Energiespeicherprozesse an Navigationseffizienz einbüßen.

Darüber hinaus erhöht die Verlängerung des Energiespeicherprozesses zwar die Sprunghöhe, verringert jedoch die Landestabilität und die Sprungfrequenz; Weiche Sprungroboter, die von pneumatischen oder chemischen Antrieben oder Motoren angetrieben werden, erfordern normalerweise komplexe Navigationsstrategien und -strukturen. Während leichte Soft-Sprungroboter auf Basis von DEAs und PVDF-Aktuatoren einfache Sprünge durch Beugen von Körperteilen ohne zusätzliche Energiespeicherung ausführen können, was zu einer schnellen Sprungfrequenz führt, reichen ihre JHs und JDs jedoch nicht aus, um die Anforderungen zum Überqueren von Hindernissen zu erfüllen (<0,25 Körpergröße).

Hydraulisch verstärkte selbstheilende elektrostatische (HASEL) Aktuatoren können eine lineare Bewegung erreichen, indem sie die Verteilung der internen Flüssigkeiten durch Elektrohydrostatik ändern. Durch dieses elektrohydraulische Antriebsverfahren kann die zum Springen benötigte Energie in kürzester Zeit erzeugt werden, ohne dass ein aufwändiger Energiespeicherprozess erforderlich ist. Es handelt sich um eine potenzielle Lösung für Roboter, die Hindernisse schnell überwinden können, es bestehen jedoch noch drei große Herausforderungen:

(1) Verbessern Sie die Single-Hop-Leistung ohne Stapelung;
(2) Erreichen einer schnellen Genesung;
(3) Führen Sie Vorwärtssprünge und Drehsprünge aus.

Nach einer eingehenden Analyse der Stärken, Schwächen und Leistung dieser Robotersysteme nutzten die Forscher elektrostatische Prinzipien sowie schnelles Biegen und Rückprallen des Rahmens, um die Sprungleistung des Aktuators zu verbessern.

Abbildung | Detailliertes Design und Bewegungsprinzip des LSJR (Quelle: Nature Communications)

Die Forscher nannten ihre neue Lösung LSJR: einen elektrohydrostatisch angetriebenen, angebundenen, beinlosen Soft-Springroboter auf Basis eines weichen elektrohydrostatischen Biegeaktuators (sEHBA) mit schnellen, kontinuierlichen, lenkbaren Sprung- und Hindernisüberquerungsfähigkeiten.

Vorläufige Experimente zeigten, dass die schnellen Reaktionseigenschaften des sEHBA zu einer kurzen Startzeit (~10 ms) führten und dass mit dem LSJR ein JH von 7,68 Körperhöhen, ein einzelner Sprung von 1,46 Körperlängen und eine kontinuierliche Vorwärtssprunggeschwindigkeit von 390,5 mm/s (6,01 Körperlängen pro Sekunde) bei einer Frequenz von 4 Hz erreicht werden konnten.

Sie zeigten außerdem, dass sich der aus zwei Körpern bestehende LSJR mit einer Geschwindigkeit von 138,4° pro Sekunde drehen kann, was unter den derzeit verfügbaren Soft-Jumping-Robotern die schnellste Geschwindigkeit ist.

Abbildung | Das Prinzip und die Wirkung des Roboter-Hüpfens (Quelle: Nature Communications)

Im experimentellen Szenario kann LSJR mit seiner schnellen, kontinuierlichen Sprungbewegung eine Vielzahl von Hindernissen überwinden (von denen einige größer sind als der Roboter), darunter Rampen, Drähte, einzelne Stufen, durchgehende Stufen, kreisförmige Hindernisse, Kieshügel und Würfel unterschiedlicher Formen.

Entdecken Sie optimale Leistungsparameter

Der LSJR besteht aus zwei halbrunden Kunststoffbeuteln aus biaxial orientiertem Polypropylen-Folienmaterial (BOPP) mit aufgedruckten flexiblen Elektroden für mögliche Drahtverbindungen. Die Vorderseite des Beutels ist mit dielektrischer Flüssigkeit gefüllt und die Rückseite mit der gleichen Menge Luft. An den Rändern ist ein flexibler Ringrahmen aus Kunststoff (PVC) befestigt und vorgespannt. Durch Anlegen einer Hochspannung an die beiden Elektroden wird der LSJR so angeregt, dass er sich biegt und so Kraft und Energie für den Vorwärtssprung erzeugt. Der Heckairbag hat einen tierähnlichen Schwanz, der dazu dient, das Gleichgewicht zwischen Sprung- und Landehaltung aufrechtzuerhalten, und spielt eine wichtige Rolle in der gesamten Struktur des LSJR.

In Bezug auf Designkonzept und Bewegungsprinzip versiegeln die Forscher einen Aktuator vom Typ HASEL durch Heißversiegelung in einen halbkreisförmigen getrennten HASEL-Aktuator (SCS-HASEL), der aus zwei halbkreisförmigen Flüssigkeitsbeuteln mit Reißverschlussmechanismus besteht. Anschließend ersetzen sie die dielektrische Flüssigkeit im hinteren halbkreisförmigen Beutel des SCS-HASEL-Aktuators durch die gleiche Menge Luft und entfernen die Abdeckelektrode des hinteren halbkreisförmigen Beutels, sodass die dielektrische Flüssigkeit relativ zum gesamten Aktuator anisotrop fließen kann.

Wie erwartet lässt sich feststellen, dass die spezielle Flüssiggasanordnung den Flüssiggasaktuator nach vorne springen lässt, selbst wenn der Airbag auf den Boden springt. Dies liegt daran, dass die Elektroden das flüssige Dielektrikum zusammendrücken, wodurch es schnell fließt und der LSJR so angeregt wird, dass er sich verbiegt, wodurch er anfängliche kinetische Energie gewinnt. Um die Sprungleistung des LSJR weiter zu verbessern, kann die Luft im Beutel durch Helium oder ein anderes weniger dichtes, nicht explosives Gas ersetzt werden. Die leichte Roboterkonstruktion ermöglicht stabile Sprünge und Landungen ohne Kentern.

Abbildung｜LSJR-Mobil-Vorwärtstest (Quelle: Nature Communications)

JD und JH sind zwei wichtige Leistungsindizes, mit denen die Sprungleistung von LSJR charakterisiert werden kann. r = Elektrodenfläche: Nicht-Elektrodenfläche. Experimente zeigen, dass der Roboter bei r = 1:1 ein größeres JD und JH erzeugt. Ein zu hoher r-Wert (z. B. r = 2:1) beeinträchtigt die Flexibilität der BOPP-Folie, behindert die normale Biegung des Rahmens und verringert die vertikale Bodenreaktionskraft.

Darüber hinaus ist die kontinuierliche Vorwärtssprunggeschwindigkeit (CFJS) ein wichtiges Leistungsmerkmal des kontinuierlich vorwärts springenden Roboters. Bei 10 kV und 4 Hz beträgt die durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit (TS) 138,4°/s. **Laut dem Dokument ist dies die schnellste unter den vorhandenen Soft-Jumping-Robotern und wird auf einem Holzbrett erreicht. ** Unterschiedliche Untergründe beeinträchtigen die Dauersprungfähigkeit erheblich. Auf einer glatten Glasplatte beträgt die durchschnittliche TS unter den gleichen Bedingungen von 10 kV und 4 Hz nur 27,9°/s. Eine ausreichende Rauheit der Untergrundoberfläche kann nicht nur ein Verrutschen des Roboters bei kontinuierlicher Bewegung verhindern, sondern auch die Bewegung des antriebslosen LSJR behindern und so das Lenkverhalten beeinträchtigen.

LSJR verfügt über gute Fähigkeiten zur Hindernisüberwindung und soll Erkundungs-, Inspektions- und Aufklärungsmissionen in komplexen und unstrukturierten Umgebungen durchführen. Unter einer angelegten Spannung von 10 kV und einer Antriebsfrequenz von 4 Hz kletterte der monomere LSJR mit einer CFJS von 16,3 mm/s (0,25 Körperlängen/s) eine Glasplatte (mit einem Neigungswinkel von 3°) hinauf, überquerte einen Draht mit einem Durchmesser von 6,3 mm, überquerte eine 8 mm hohe Stufe und überquerte durchgehende Stufen.

Beim Hindernisüberquerungstest mit einem Hindernishöhenintervall von 4 mm beträgt die maximale Höhe, die der LSJR überqueren kann, 14 mm (Rechteck) bzw. 18 mm (Dreiecksprisma und Zylinder) und er kann auch einen Schotterhügel mit viel Kieselsteinen (Größe: 3 bis 6 mm) problemlos überqueren.

Abbildung｜LSJR-Mobil-Vorwärtstest überwindet Hindernisse (Quelle: Nature Communications)

Es gibt noch interessantere Entwicklungen

Im Allgemeinen bietet LSJR die Vorteile eines niedrigen Profils, geringen Gewichts, Modularität und Kosteneffizienz. Durch einfache Steuerungsstrategien kann der Roboter schnelle, kontinuierliche und lenkbare Sprung-, Trage- und Hindernisüberquerungsfähigkeiten erreichen.

Durch die Verwendung einer speziellen Flüssigkeits-Gas-Anordnung und eines vorgebogenen Rahmens mit fixierten Kanten werden schnelle und kontinuierliche Vorwärts- und Drehsprungbewegungen durch periodische sattelförmige Biegung und anisotropen Flüssigkeitsfluss realisiert, wodurch einige Einschränkungen der HASEL-Aktuatoren ausgeglichen werden, darunter: (1) die Unfähigkeit, Vorwärts- und Drehsprünge zu erzielen; (2) die schwache Leistung beim Einzelspringen ohne Stapeln; und (3) die Unfähigkeit, sich schnell zu erholen. Bei der kontinuierlichen Vorwärtssprungbewegung kann die Winkelabweichung jedes Sprungs innerhalb von 8° kontrolliert werden und die maximale Sprunghöhe des Roboters kann 18 mm erreichen.

Die Sprungleistung von LSJR hängt nicht nur von der angelegten Spannung ab, sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit verschiedener beweglicher Substrate. Bei gleicher angelegter Spannung (10 kV, 4 Hz) weist das Glassubstrat mit der glattesten Oberfläche die geringste Reibung aller Substrate auf, was zu einem niedrigeren CFJS von 95,6 mm/s (1,47 Körperlängen/s) führt. Dies beschränkt die Einsatzmöglichkeiten des Roboters derzeit auf das Springen auf relativ glatten Oberflächen.

Die Forscher sagten, dass LSJR durch die Verbindung von Licht- und Softtemperatursensoren, Pasten und photochromen Farbstoffen zum Erkennen und Aufzeichnen von Umweltveränderungen wie Temperatur und ultraviolettem Licht verwendet werden kann und durch die Integration anderer Sensoren auch zum Erkennen weiterer Umweltfaktoren wie Schadstoffen in Industrieumgebungen und zivilen Gebäuden verwendet werden kann.

Im nächsten Schritt werden sie sich auf die Skalierbarkeit und Parameteroptimierung von sEHBA konzentrieren, um eine bessere Sprungleistung zu erzielen, uneingeschränkte LSJR und Anwendungen sowie andere auf sEHBA basierende Softroboter zu entwickeln, wie etwa Wandkletterroboter, Schwimmroboter und Flügelschlagroboter.

Quellen:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27265-w

Geschrieben von: Cooper, bearbeitet von: Kou Jianchao, Layout: Li Xuewei

Quelle: Academic Headlines