Переплетенная структура оригами обеспечивает компактное хранение и высокопрочное роботизированное развертывание.

Исследователи из факультета машиностроения Сеульского национального университета применили принцип переплетения к конструкции, вдохновленной оригами, и разработали «Складную и свертываемую гофрированную конструкцию (FoRoGated-Structure)», которую можно плавно складывать и сворачивать для компактного хранения, сохраняя при этом очень высокую прочность при развертывании. Исследование было опубликовано в журнале Научная робототехника 26 ноября.

Команду возглавил профессор Кю-Джин Чо — директор Научно-исследовательского центра человекоцентрированной мягкой робототехники и один из основателей Института робототехники СНУ (СНУ РИ).

Как конструкция достигает компактности и прочности

Свертывание конструкции вокруг центрального узла — аналогично тому, как хранится рулетка — является эффективным способом достижения компактного хранения. В таких механизмах конструкция обычно имеет плоское поперечное сечение на этапе хранения, что позволяет ей плавно оборачиваться вокруг ступицы, а затем трансформируется в гофрированное поперечное сечение на этапе развертывания для предотвращения изгиба и провисания.

Это аналогично тому, как плоский лист бумаги является гибким, но, сложенный в зигзагообразную гофру, соседние грани сдерживают деформацию друг друга, и сложенная бумага становится достаточно прочной, чтобы выдерживать значительные нагрузки.

Однако когда традиционную гофрированную структуру складывают в несколько слоев и затем наматывают на ступицу, толщина материала приводит к несоответствию периметра (длины) между внутренним и внешним слоями, что приводит к короблению и образованию складок. По этой причине такие конструкции обычно разворачивают в один плоский слой перед наматыванием на ступицу.

По мере увеличения размера гофра прочность конструкции увеличивается, но требуемая ширина хранения увеличивается, что приводит к фундаментальному компромиссу между прочностью и компактностью.

Представляем чересстрочную развертку для устранения ограничений

Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа внедрила в гофрированную структуру принцип переплетения. Переплетенная структура соединяет несколько элементов не путем их жесткого соединения, а путем их пересечения и блокировки так, что зазоры между элементами позволяют скользить и переставляться, в то время как в направлении сцепления элементы распределяют нагрузки и сохраняют форму.

В своей конструкции исследователи расположили металлические полосы параллельно по длине и вместо того, чтобы скрепить их друг с другом, плотно сплели их лентами, образуя петлеобразные переплетающиеся соединения. Эти соединения обеспечивают плотную связь между соседними полосами, образуя жесткую гофрированную складчатую структуру, и в то же время допускают локальное скольжение полос через петли ленты.

В результате конструкцию можно сложить в несколько гофрированных слоев и при этом плавно намотать на ступицу. Скользящее движение снижает концентрацию напряжений, возникающую из-за несоответствия периметра между слоями, а высокая плотность переплетения повышает стабильность поперечного сечения, обеспечивая высокую прочность и жесткость в развернутом состоянии.

Команда резюмировала: «Используя ленты для переплетения жестких структурных полос, мы продемонстрировали, что даже гофрированную конструкцию со множеством складок можно сложить в несколько слоев и при этом плавно свернуть для компактного хранения».

Роботизированные приложения и демонстрации

Выйдя за рамки теоретического анализа, исследователи разработали «выдвижную роботизированную руку» с одним двигателем на основе структуры FoRoGated и продемонстрировали ее применимость к нескольким развертываемым роботизированным системам.

Сначала они установили руку на небольшого мобильного робота высотой, сравнимой с роботом-пылесосом. В сложенном состоянии робот сохраняет очень низкий профиль, но когда рука развернута, он может выполнять сложные задачи, такие как расстановка предметов на полках или нажатие кнопок лифта.