Amerikanische Ingenieure haben einen Prototyp eines pneumatischen Laufroboters aus weichen Materialien geschaffen, in dem es keine elektromechanischen Komponenten und keine Elektronik gibt. Das Gerät wird von einem Ventilsystem gesteuert, das logische Schaltkreise bildet und nur mit komprimierten Gasen arbeitet. Die Gangart des Roboters ahmt die Bewegungen einer Schildkröte nach, er kann die Bewegungsrichtung ändern und aus einer Kohlensäureflasche autonom arbeiten. Roboter ohne elektrische Komponenten können sicher arbeiten, zum Beispiel an Orten mit einem hohen Gehalt an explosiven Gasen, wenn die Möglichkeit eines versehentlichen Funkens ausgeschlossen werden muss oder unter Bedingungen, in denen das Vorhandensein von metallischen Elementen nicht akzeptabel ist, zum Beispiel im Inneren funktionierende Magnetresonanztomographen, so ein Artikel, der in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde.
Der Einsatz von weichen Materialien beim Bau von Robotern ermöglicht den Einsatz dort, wo ein sicherer Umgang mit Mensch und Umwelt erforderlich ist, beispielsweise in der Medizin. Darüber hinaus ermöglichen Flexibilität und Biegsamkeit Soft-Roboter, sich an anspruchsvolle Oberflächen anzupassen. Zum Beispiel können flexible Arme in Form von Tentakeln Objekte mit komplexen Formen greifen und sich um sie drehen.
Um Softroboter anzutreiben, verwenden Ingenieure aufgrund der geringen Komplexität der Erstellung solcher Mechanismen und der breiten kommerziellen Verfügbarkeit der Hauptkomponenten häufig pneumatische Aktuatoren. Um den pneumatischen Aktuator mit Hilfe von Pumpen zu betreiben, wird in die abgedichtete Kammer im Inneren des Strukturelements des Softroboters ein Überdruck injiziert, wodurch dieser sich asymmetrisch verformt und den Manipulator verbiegt oder entbiegt.
Um ein System aus pneumatischen Pumpen und Ventilen zu betreiben, werden normalerweise zusätzliche elektrische Geräte verwendet: Elektromotoren und Magnetspulen, und die Steuerung erfolgt über Mikrocontroller. Dies kann jedoch nicht immer akzeptabel sein, z. B. bei Arbeiten in starken Magnetfeldern oder wegen der Gefahr von Funkenbildung in einer Umgebung mit hohem Anteil an explosiven Gasen. Außerdem können elektrische Geräte und elektronische Komponenten die Flexibilität eines flexiblen Roboters mit mehreren Freiheitsgraden einschränken und passen nicht in das Soft-Device-Konzept.
Um diese Einschränkungen zu umgehen, entwickelten amerikanische Ingenieure der University of California in San Diego unter der Leitung von Michael Tolley einen Prototyp eines pneumatischen Laufroboters mit weichem Fuß, dem elektronische und elektromechanische Komponenten fehlen. Seine Aktuatoren und sein Steuerungssystem arbeiten ausschließlich pneumatisch aus derselben Druckquelle.
Der Demonstrationsprototyp des Roboters besteht aus einem 3D-gedruckten PLA-Körper mit in einem Winkel von 45 Grad angebrachten Beinen sowie pneumatischen Steuersystemventilen, die durch Rohrleitungen verbunden sind. Jedes 173 Millimeter lange Bein besteht aus drei parallelen Wellrohren, die geschlossene Kammern bilden. Mit zunehmendem Druck in einem der Rohre wird das Glied in die entgegengesetzte Richtung gebogen. So kann das Roboterbein durch das Einbringen von Druck in jede der drei Kammern in die gewünschte Richtung ausgelenkt werden. Die Ingenieure erreichten eine oszillierende Bewegung des Beins, indem sie nacheinander den Druck in jedem der drei Rohre pumpten und absenkten, wodurch das Bein in einer Kreisbahn angehoben und abgesenkt wurde. Das Bewegungsmuster aller vier Gliedmaßen des Roboters haben die Entwickler der afrikanischen Seitenhalsschildkröte entlehnt, die beim Gehen paarweise ihre Pfoten diagonal bewegt.
Pneumatischer Walker
Der Bewegungsablauf der Pfoten der Schildkröte: diagonal liegende Pfoten arbeiten gleichzeitig
Diagramm der Funktionsweise eines pneumatischen Ringgenerators, der eine rhythmische Bewegung der Roboterbeine in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ermöglicht
Das Robotersteuerungssystem besteht aus Ventilen, die in digitalen Logikschaltungen verbunden sind. Obwohl bereits Versuche unternommen wurden, mikrofluidische Logikelemente zur Erstellung von Prototypen von Softrobotern zu verwenden, konnten Ingenieure diesen Ansatz jedoch erstmals für die komplex koordinierte Bewegung eines Gehwagens anwenden.
Die pneumatischen Ventile, die als logische Inverter fungieren, sind in drei Teilen zu Ringgeneratoren verbunden, die bei Anschluss an eine externe Druckquelle den Gasstrom in Reihe in jede der drei paarweise verbundenen Kammern entlang der Diagonalen der Beine leiten. Gleichzeitig kann je nach Ausführung der gegenseitigen Verbindung jedes der beiden Beinpaare mit den Generatoranschlüssen eines von ihnen gegenüber dem zweiten phasenverzögert gehen, wodurch der sequentielle Betrieb der diagonalen Paare von. imitiert wird die Pfoten der Schildkröte. Somit reichen drei Ventile aus, um alle vier Beine des Rollators zu steuern.
Ventilanordnung: Inverter (oben), bidirektionaler bistabiler Schalter (unten)
Schema der Ventile im Ringgenerator. (B) beide Kammern A2 und A3 werden aufgeblasen, in (C) wird A2 entlastet, P + - Hochdruck, Patm - Niederdruck
Anschlussplan einzelner Kammern in Paaren von Roboterbeinen an Ventile
Ein solches Arbeitsschema ist jedoch nicht optimal, da darin nur Lag-Phasen von 0, 120 und 240 Grad implementiert werden können (bei einem Phasenwert von 0 arbeiten alle Beine des Roboters im Gleichklang und lösen sich nicht vom Oberfläche) und beim Gang einer Schildkröte beträgt die Phase bei der Arbeit der Pfotenpaare etwa 180 Grad. Dies ist der optimale Wert, bei dem die maximale Fahrgeschwindigkeit erreicht wird. Wie sich herausstellte, kann eine solche Phase durch Verkomplizierung des Regelkreises durch Hinzufügen eines zweiten Ringgenerators und eines Phaseneinstellventils erreicht werden, das nur für die anfängliche Einstellung der Verzögerung von Beinpaaren relativ zueinander verwendet wird. Dank dieses Schemas ist es möglich, eine optimale Beinarbeit des Gehwagens zu erzielen, gleichzeitig erhöht sich jedoch das Gewicht des Roboters, was sich negativ auf seine Bewegungsgeschwindigkeit auswirkt. Die von den Entwicklern gemessene Bewegungsgeschwindigkeit bei einem Phasenwinkel von 180 betrug 0,090 der Körperlänge des Roboters pro Sekunde, während die maximale Geschwindigkeit in der nicht optimalen Konfiguration mit drei Ventilen und einer Phase von 120 Grad nur 0,024 Körperlänge pro Sekunde betrug. Darüber hinaus erhöht das Hinzufügen neuer Elemente das Gewicht des Geräts und verringert die Zuverlässigkeit des Geräts, sodass die Ingenieure in ihren Experimenten hauptsächlich das erste Steuerschema mit einem Generator verwendeten.
Die Entwickler haben die Fähigkeit des Rollators bewiesen, sich in alle Richtungen zu bewegen und sogar umzudrehen. Dazu fügten sie dem Kreislauf ein bistabiles Regelventil hinzu, das nach dem Prinzip eines zweipoligen Wechselschalters (DPDT) arbeitet, mit dem es möglich ist, die umgekehrte Wirkrichtung der Ringgeneratoren zu organisieren und dadurch zu ändern die Reihenfolge des Füllens der Kammern in den Beinen des Gehers und folglich die Bewegungsrichtung der Gliedmaßen das Gegenteil. Ein solcher Umkehrschalter, der mit einem Kollisionssensor (ebenfalls basierend auf einem bistabilen Ventil, das bei Berührung eines Hindernisses schaltet) verbunden ist und außerhalb des Körpers auf der Stange platziert ist, erhöht die Autonomie des pneumatischen Roboters erheblich.
Die meisten Versuche mit dem Gerät wurden von den Entwicklern mit Druckluftversorgung von einer externen Druckquelle über eine Rohrleitung durchgeführt. Der Roboter kann jedoch auch durch eine tragbare Stromquelle mit Strom versorgt werden. Dazu verwendeten die Ingenieure komprimierte Kohlendioxidflaschen. Ein kleiner Zylinder von 57 Gramm mit einem Druckregler von bis zu 140 Kilopascal reicht für 45 Sekunden Akkulaufzeit, ein Zylinder von 306 Gramm lässt den Roboter bis zu vier Minuten arbeiten.
Neben pneumatisch gesteuerten Softrobotern entwickelt ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von Michael Tolly Geräte, die andere Arten von Aktoren verwenden. So schufen sie beispielsweise zuvor einen Roboter, der von einem Flüssigkristall-Elastomer angetrieben wird, sowie einen Unterwasser-Tintenfisch-Roboter aus weichen Materialien für die Unterwasserforschung.
