Робот, вдохновленный креветками Mantis для изучения подводной среды

Структура бионического робота с креветками мантис.Кредит: Chen et al.(IEEE/ASME Transactions на Mechatronics, 2023).

Природа является основным источником вдохновения для многих существующих роботизированных систем, предназначенных для воспроизведения внешнего вида и поведения различных живых организмов.Искусственно воспроизводя биологические процессы, эти роботы могут помочь более эффективно решать сложные реальные проблемы.

Исследователи из Университета научно-технического университета Чжэцзян и Эссекса разработали робота, вдохновленный креветками мантис, который мог бы помочь изучить и контролировать узкую подводную среду, в которой населены многочисленные виды животных и богатые минеральными ресурсами.Этот робот, вдохновленный биографией, был представлен в статье, опубликованной в транзакциях IEEE/ASME на мехатронике.

«Многие подводные среды имеют узкие пространства, которые трудно получить для людей, поэтому роботам было бы оптимально захватить свое исследование», - сказал Tech Xplore, что багажник, один из авторов статьи.”Креветки мантис - это гибкий и быстро плавающий небольшой хищник в морской среде, и ее превосходная способность движения может предоставить новые исследовательские идеи для разработки подводных роботов. Эта работа занимает мантис -креветки в качестве бионического объекта, проектирует новый робот с креветками Мантис,и завершает управление движением “.

Вдохновленные способностями и движениями мантис -креветки, Чен и его коллеги решили искусственно воспроизвести их.Их надежда состояла в том, чтобы разработать подводного робота, который мог бы удивительно хорошо двигаться под водой, имитируя механизмы, которые поддерживают движения креветков мантис, и, таким образом, также легко получить доступ к узким пространствам под водой.

Адвоирный робот, созданный исследователями, состоящий из 10 искусственных плеопод и гибкого тела, обладает сильным движением.Плеоподы представляют собой конечности в форме вилки, прикрепленные к телу ракообразных, которые позволяют животным перемещаться в воде.

«Робот бионического мантис -креветок управляется пятью пар плеопод», - объяснил Чен.«Баланс скорости и стабильности может быть достигнут путем регулировки частоты движения, амплитуды и фазовых разностей движения этих пяти пар плеопод. Кроме того, соединение каждой пары плеоподов является независимым, что очень полезно для восстановленияВ случае структурного повреждения под водой “.

Движения робота команды контролируются через изгиб его гибкого торса с использованием проволоки, а также движением его искусственных плеопод.В совокупности эти механизмы позволяют роботу быстро регулировать угол, при котором он поворачивается, чтобы он мог плавать в желаемом направлении.

«Многочисленные плеопод избыточны, что может позволить роботу осознать, что поворот, даже когда некоторые из плеоподов терпят неудачу», - сказал Чен.«Bionic Pleopod спроектирован с тремя суставами, одним из которых является активное соединение, управляемое сервомотором, а остальные два сустава представляют собой пассивные суставы, которые используют сопротивление воды для достижения разворачивания и складывания».

По сути, когда одна из конечностей робота движется назад, его три сустава полностью расширяются, что приводит к максимальному движению.Напротив, когда конечность возвращается в исходное положение, суставы складываются, снижая передовое сопротивление.Этот уникальный дизайн использует характеристики, связанные с потоком воды, чтобы упростить структуру робота, увеличить его двигатель и облегчить контроль под водой.

«Общая структура робота бионических креветков мантис относится к биологической структуре креветок мантис, а корпус робота плоский с обтекаемым Телсоном для эффективного уменьшения сопротивления», - сказал Чен.«Плеопод и тело робота применяют жесткую гибкую конструкцию связи, чтобы уменьшить влияние воды на робота и улучшить стабильность робота в подводном движении».

Исследователи проверили прототип своего робота с креветками мантис и обнаружили, что он может хорошо двигаться под водой, достигая максимальной скорости 0,28 м/с и минимальный радиус поворота 0,36 м.Эти результаты подчеркивают потенциал робота для борьбы с исследовательскими миссиями в узкой и сложной подводной среде.

Примечательно, что как скорость, так и движения робота с креветками мантис могут точно и легко контролироваться, снижая риск столкновений с подводными препятствиями.Исследователи теперь планируют развивать свою систему дальше, с надеждой, что в конечном итоге она будет использована для мониторинга и спасения морских сред.

«В будущем мы сосредоточимся на том, как реализовать автономное движение робота бионических мантис -креветков в узкой подводной среде, чтобы выполнить задачу обнаружения в этой среде», - сказал Чен.

«Мы планируем оптимизировать конструкцию структуры, формы и аппаратной системы робота, чтобы улучшить его способность движения с шестью градусами в трехмерном пространстве и более высокую подводную скорость движения. Затем IMU, камера, датчик глубины и другиеУстройства для сбора информации будут увеличены для достижения более точного управления движением в замкнутом контуре робота посредством анализа информации об окружающей среде и корректировки обратной связи его собственной осанки ».

В то время как робот команды уже достиг обнадеживающих результатов, он все еще находится на ранней стадии развития.Чен и его коллеги теперь будут продолжать улучшать и проверять своего робота, чтобы установить его способность ориентироваться в тесной подводной среде.

«В наших следующих исследованиях мы также повысим долговечность и надежность каждого из компонентов робота, используя углеродное волокно и встроенные высокопрочные материалы»,-добавил Чен.«Это может заложить основу для практических применений в ограниченных подводных условиях».

Больше информации: Gang Chen et al., Проектирование и контроль нового робота Bionic мантис -креветки, IEEE/ASME Transactions на Mechatronics (2023).Doi: 10.1109/tmech.2023.3266778