Университет Иннополис разрабатывает роботов с грузоподъемностью в 3 раза выше аналогов

Робототехники двух стран выиграли совместный грант в конкурсе на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, проводимом РФФИ и Национальным исследовательским фондом Кореи. Проект Университета Иннополис и KAIST попал в число 13 победителей из 84 претендентов.

Ученые создадут робототехнические системы и манипуляторы, состоящие из звеньев параллельного типа на основе скрученных нитей — twisted string actuators, TSA. Это позволит в 2-3 раза повысить полезную нагрузку подобных систем и точность управления ими. В приводах на основе TSA нить с одной стороны закреплена на двигателе, а второй ее конец присоединен к рабочему органу или механизму, который перемещает полезную нагрузку. В результате закручивания нити сокращаются и приводят в движение рабочий орган.

Данный тип приводов имеет ряд уникальных преимуществ, которые делают его привлекательным при разработке и проектировании всевозможных робототехнических систем — легкий вес, высокие развиваемые усилия, точность, гибкость при проектировании и установке.

Игорь Гапонов, руководитель Лаборатории мехатроники, управления и прототипирования университета Иннополис

Большинство роботизированных рук с последовательной структурой, использующих традиционные приводы, обладают сравнительно низкой грузоподъёмностью. Приводы в таких устройствах обычно устанавливаются в сочленениях — суставах, и поэтому «плечо» робота вынуждено перемещать на себе остальные 5-6 приводов. В итоге манипулятор весом, например, 500 кг способен поднять не более 50 кг полезной нагрузки. Однако вес таких манипуляторов можно существенно уменьшить с сохранением грузоподъёмности благодаря применению новых приводов и звеньев на базе TSA. Однако специалисты из команды разработчиков планируют увеличить этот показатель в три раза, чтобы робот весом в 500 кг мог поднимать до 150 кг полезной нагрузки.

Другой популярный класс промышленных манипуляторов, где планируется применять TSA — устройства параллельного типа с большим рабочим диапазоном, также называемые дельта-роботами. У них высокая скорость, но сравнительно низкая грузоподъемность, из-за чего на подобные манипуляторы нельзя устанавливать многофункциональные роботизированные схваты без серьезного ухудшения производительности. Однако низкий вес TSA позволяет создавать на их основе более гибкие и легкие роботизированные схваты, например, двигатель в данном приводе можно устанавливать удаленно от схвата — на основании робота, и таким образом масса кисти, закрепляемой на робототехнической руке, составит не более 200–300 г, в отличие от большинства коммерческих аналогов, вес которых составляет 0,5 кг и более.

Работа над проектом началась в марте и продлится до конца 2021 года. Совместная команда состоит из 13 человек. От Университета Иннополис проектом руководит Игорь Гапонов, от KAIST — профессор Джи-Хван Рю. Российский ИТ-вуз отвечает за разработку математического аппарата и синтез структур на основе TSA. К середине второго года ученые планируют завершить разработку системы управления подобными устройствами и провести эксперименты на синтезированных механизмах. Сотрудники KAIST сосредоточатся на разработке адаптивной системы управления и разработают систему на основе пассивности. Изготовление опытных образцов и эксперименты ученые двух стран проведут совместно.

За 2 года исследователи планируют описать теоретические основы моделирования статики и динамики параллельных механизмов и роботов на основе TSA, разработать методы получения информации о внешних воздействиях на робота со стороны окружающей среды без специализированных датчиков силы, классифицировать конструкции подобных роботов и описание их свойств с учетом применения TSA, методы автоматизированного синтеза систем с желаемыми характеристиками, синтез опытных образцов роботов с оптимизированной структурой, разработать математический аппарат для автоматического планирования и оптимизации траектории движения звеньев и роботов, а также адаптивные системы управления отдельными приводами на скрученных нитях и устройствах на их основе.

По словам сотрудников Университета Иннополис, на основе разработанных и сконструированных модулей получится спроектировать устройства и системы, которым найдут применение практически во всех областях современной техники: промышленные манипуляторы и станки, человеко-машинные интерфейсы, медицинская робототехника, экзоскелеты и другое. Отдельные модули на основе TSA можно внедрять в мобильных роботов и любые другие системы, где необходимы линейные приводы.