Arachno-Bot

Паучье электро-гидравлическое мягкое сочленение состоит из мешочка, заполненного диэлектрической жидкостью (обычно на основе растительного масла), и двух электродов, располагающихся по обе стороны мешочка. Этот мешочек соединён с вращательным суставом. При подаче высокого напряжения на электроды электростатические силы вызывают перемещение диэлектрической жидкости внутри мешочка и сгибание сустава. При сгибании сустав приводит в движение ноги arachno-bot. Каждый S.E.S.-сустав состоит как из жёстких, так и из мягких материалов, что позволяет в результате получать функциональность, схожую с конечностями животных за счёт гидравлических сил. Жёсткие и мягкие материалы, составляющие ногу паука, преобладают в жёсткой части ноги (которая не сгибается), а непосредственно в сочленениях используется мягкий материал, позволяющий сгибаться суставам. Аналогично человеческой ноге, где бедро, большеберцовая кость и малоберцовая кость не сгибаются, а движение конечности обеспечивают суставы между ними. Кроме того, каждая нога arachno-bot снабжена механизмом прыжка: в её конструкции имеется жидкость и компрессорный насос, который создаёт давление, позволяющее ноге осуществлять прыжковые движения^[8].

Каждая нога использует гидравлическую силу, то есть силу, передаваемую через сжатую жидкость, получающуюся в результате действия электростатических сил Электростатическая сила возникает из-за приложенного напряжения, проходящего через диэлектрическую жидкость. При подаче положительного напряжения происходит отталкивание одноимённо заряженных частиц жидкости. Эта отталкивающая сила преобразуется в гидравлическое давление, вызывающее сгибание сочленения. Передача сил происходит потому, что электростатическое поле формируется в жидкости и вызывает гидроэлектрический эффект с возникновением гидравлических сил. Напряжение поступает в мешочек через один электрод и уходит по другому, заземляющему, чтобы в суставе не возникала постоянная деформация из-за гидравлических сил.

Для повышения функциональности arachno-bot может оснащаться тремя различными типами конечностей: двунаправленным суставом, трёхпальцевым захватом и многочленистой искусственной конечностью. Все варианты реализованы на базе одной системы S.E.S, но отличаются количеством и размещением приводов.

Двунаправленный сустав обеспечивает движение в двух противоположных направлениях. Конструкция такого сустава включает пару антагонистических приводов, соединённых с двунаправленной шарнирной осью. К этой оси прикрепляются два привода с диэлектрической жидкостью (растительное масло), выполненные на основе гибких плёночных усилителей и двухсторонней клейкой подложки. В рассматриваемой конструкции всего три электрода: внутренний является заземляющим, через который выходит электрический ток, а два других — независимы и подают напряжение на соответствующие приводы, расположенные по разным сторонам сустава. Каждый привод отвечает за движение в одну сторону: если один изгибает сустав вниз, то другой — вверх; оба они работают независимо друг от друга. Эта система позволяет конечности совершать движения на угол до 20 градусов в обе стороны с высокой скоростью.

Трёхпальцевый захват позволяет крепко хватать и удерживать объекты. Его конструкция похожа на механический «коготь» (аналог автомата с игрушками), однако каждый палец состоит из двух суставов и оснащён двумя приводами: один находится у основания, второй — на кончике пальца. Каждый привод обеспечивает сгибание пальца и захват предмета. Привод у основания сгибает кончик, которому также соответствует привод, деформирующий гибкий исполнительный орган (compliant end effector). Такой орган увеличивает площадь контакта при захвате объекта и изготавливается из материалов с высоким коэффициентом трения, что позволяет более эффективно удерживать объекты по сравнению с голым акрилом конструкции S.E.S. Эта система позволяет удерживать предметы массой до 270 граммов как с горизонтальной, так и с вертикальной поверхности.

Многочленистая искусственная конечность снабжена тремя независимыми приводами, что обеспечивает расширенный диапазон движений для двунаправленного действия. Она имеет суженную конструкцию, позволяющую оптимально разместить все приводы: каждый из трёх сегментов конечности отличается размером и уменьшается по мере удаления от основания. Самый крупный привод установлен у основания, чтобы преодолеть вес конечности и остальных приводов, обеспечивая достаточный крутящий момент. Два оставшихся привода предназначены для гибкости. Всего в конечности три секции, каждая соединяется суставом и управляется соответствующим приводом. Всю систему питает трёхканальный источник высокого напряжения: приводы объединяют общий «ground», а управляющие напряжения подаются по трём независимым линиям. Такая конструкция обеспечивает диапазон безнагруженных движений до 180 градусов и широкий спектр скоростей, от медленных до быстрых.