Името на тази нова технология е ABENICS и е абревиатура на Active Ball Joint Mechanism. Проектът е разработен от японския университет Ямагата и е със специален сферичен механичен дизайн за възможни нови серво задвижвания със сферични шарнири. Всъщност това е една съвсем на нова форма на зъбчатките, което стана възможно благодарение на развитието на технологиите и повишаване точността на производството. Според разпространилата се неофициална информация проектът може да е наречен така и в чест на бившия японски премиер Шиндзо Абе.
Принципът на работа на този механизъм може да най-добре да бъде обяснен и разбран от следващото видео, което заменя хиляди думи:
На първия етап видеото показва как при стандартната форма на конвенционалното шлицово зъбно колело и обичайното му въртене около една механична система, при прилагането на ABENICS технологията в крайна сметка се получава триизмерно сферично движение на обекта в произволно направление, според конкретния случай. Интересно е, че това направление може да бъде избрано с много висока точност. Още по-забележително е, че и трите степени на свобода се осигуряват от една контактна точка. Японските учени наричат тези два основни компонента на технологията сферична предавка (СS) и монополна предавка (MP).
При добавяне на още една MP предавка и повтаряне на същия модел, става възможно създаването на многоосна сферична предавка, която може да се задвижва от две или повече монополни предавки. Сложността на крайната конструкция е практически неограничена. Междувременно специалистите вече започнаха да правят тези зъбчатки и предавки с помощта на CAD системи и ги отпечатат на 3D принтер.
За тези, които искат самостоятелно да опитат ABENICS технологията, трябва да кажем, че с помощта на обикновен домашен триизмерен принтер е почти невъзможно да се постигне непрекъснато движение: твърде трудно е да се постигне необходимата точност при отпечатването на зъбците на зъбчатките и конструкцията постоянно заяжда. Максимумът, който можете да постигнете, е нещо подобно, показано на видеото по-долу. Това означава, че засега не можем да очакваме скорошната поява на домашни роботи с въртящи се хуманоидни стави, които са разпечатани с домашен 3D принтер.
Но фактът си е факт. Тези нови конструкции на зъбни колела осигуряват невъобразимо досега механично движение с помощта на сферично зъбно колело, което дава възможност за създаването на шарнири от съвсем нов тип. Един съвсем компактен модул решава задачи и проблеми, за които досега бяха необходими няколко сложни системи. Това може да бъде един наистина огромен пробив за областта на мобилната роботика и като цяло за производството на всяко устройство, което се нуждае от компактни универсални шарнирни съединения.
Технически подробности
Японските специалисти обръщат внимание на това, че през годините са предложени многобройни най-различни механизми и задвижвания, които се опитват да решат задачата за обединяването на няколко степени на свобода в един общ механизъм (една контактна повърхност). Класическата сферична предавка, която използва триене за прехвърляне на сила, се състои от сферична зъбчатка и от три до четири стратегически разположени фрикционни колела. Тези класически механизми позволяват неограничени движения с три ротационни степени на свобода, но това са изключително сложни конструкции. Освен това при използването на подобна трансмисия се губи много енергия при триенето – включително поради необходимостта да се въртят всички останали колела, дори когато това изобщо не е необходимо.
През последните години този проблем беше решен чрез замяна на фрикционното колело с омни колело. То може без проблеми ефективно да се върти в едно направление и в същото време може лесно да се плъзга настрани (наляво или надясно) – тоест, има две степени на свобода. Но неговият дизайн също е твърде сложен от механична гледна точка. И още, приплъзването в омни колелото възпрепятства пълноценното прехвърляне на въртящия момент, а точното позициониране на колелото е невъзможно без използването на външни триизмерни сензори. Всички тези проблеми са решени с помощта на ABENICS конструкцията, като освен това този механизъм има трета степен на свобода.
Друг популярен подход е използването на високочестотни вибрации от пиезоелектрични или магнитострикционни елементи за въртене на различни механизми. Този метод допуска широк диапазон от скорости и има компактен дизайн поради своята простота, но не решава горните проблеми, с изключение на точността. Преди време бяха предлагани и безконтактни сферични задвижващи механизми. Въпреки че осигуряваха висока мощност, те консумираха твърде много електроенергия и изискваха прекалено много компютърни ресурси за регулиране на движението. Освен това бе трудно да се конструира какъвто и да било редуктор за задвижванията от подобен род, който е необходим, за да се прехвърля висок въртящ момент при ниски скорости.
Вместо сферична конструкция, някои изследователи предложиха да се използва връзка със сферичен лост. По този начин може да се осигури висока точност на позициониране и отлични динамични характеристики, тъй като задвижващите механизми могат да бъдат поставени в основата на системата. Но физическата намеса между връзките ограничава диапазона на движение. Ако се опитате да създадете дизайн с три степени на свобода, нещо трябва да бъде пожертвано – или диапазона на движение, или здравината на механизма, или ефективността на прехвърляне на въртенето. Най-често се налага да се допусне по-голямо приплъзване. Тоест, ставите от подобен род не могат да осигурят необходимата точност на движенията.
Най-често при роботите, използвани в промишлеността и бита, механизмът от типа китка+рамо за техните манипулатори се базира на конвенционалната зъбна предавка, която се състои от няколко десетки или стотици конусни зъбни колела. Всички сме запознати с този дизайн. Но в случая има само една степен на свобода. Така че се налага няколко механизма от подобен род да бъдат поставени в една от тези изкуствени стави. Изходната мощност на конструкцията от подобен тип е силно ограничена поради сложното вграждане на вала и наличието на аксиално натоварване върху конусното зъбно колело. Такъв механизъм сам по себе си не може да издържи големи натоварвания, той трябва да бъде допълнително подсилен и застрахован, а това прави конструкцията още по-тежка и сложна.
Сега японските учени предлагат съвършено нов механизъм на активен шарнир, допълнен от взаимодействието на нов тип сферични зъбни колела. Той предлага много висока точност на движение и достатъчна здравина, като в същото време се избягват загубите от излишното триене. ABENICS използва уникалното взаимодействие между иновативни зъбни колела, а именно кръстосано сферично зъбно колело (CS) с монополно зъбно колело (MP), за постигане на три степени на свобода без приплъзване. Следния клип много добре показва този момент:
Механизмът, базиран на неплъзгаща се предавка, както казват японците, осигурява пълноценно прехвърляне на въртящия момент и надеждно позициониране без използването на триизмерни сензори. И още, тъй като задвижването и изходното звено могат да бъдат разположени по всякакъв начин, механизмът може да има най-различни конфигурации. И поради осигурената от тази конструкция висока точност, неговата система за управление не изисква големи изчислителни ресурси.
Според японските учени, въпреки че предлаганите от тях специализирани зъбчатки са сложни, те заявяват, че най-новите постижения в производствените технологии правят напълно възможно и доста лесно тяхното производство, включително и масовото производство. Този механизъм позволява ставите на робота да бъдат сглобени в една точка (тоест. върху активния сферичен шарнир), намалявайки консумацията на ресурси и силно повишавайки ефективността на робота.
В тестовия прототип CS и MP зъбните колела са направени от полиетеретеркетон (PEEK), супер техническа пластмаса с висока смазочност, която лесно се обработва и осигурява необходимите здравина и стабилност. Държачът е направен от полиоксиметилен (POM), а контактните повърхности на зъбното колело и държача дори не изискват смазване по време на работа. Основата и тялото на устройството са изработени от леката и издръжлива алуминиева сплав A2017. При тестове този пластмасов прототип демонстрира, че може да издържа тежести до 6 кг, без да се налага да се обръща. Учените допълват, че ако тази изкуствена става бъде направена от метал, може да се постигнете много по-голяма здравина.
В Reddit технологията ABENICS събрала рекордните 106 хиляди харесвания. Не само учените, но и потребителите активно обсъждат как това устройство може изключително ефективно да се използва за заместване на тазобедрената става и/или ставите на ръката на хората. Става възможна замяната на изгубени крайници с много по-модерни протези, както и изграждането на непознати досега много по-ефективни андроиди. Според появилата се най-нова информация, от тази революционна идея вече се е заинтересувала компанията Boston Dynamics, известна преди всичко със своите роботи.
Някои хора са на мнение, че бъдещето с „Терминатор“ с всяка изтекла минута е все по-близо.
Има и други мнения, например, че през 21-век човечеството отново е открило колелото.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iOS и Huawei!
