Японские исследователи создали роботизированную кисть, способную переключаться между несколькими захватными модулями с помощью одного двигателя.

Современная робототехника сталкивается с проблемой универсального захвата - объекты различной формы и размеров требуют применения разных типов захватных механизмов, однако установка отдельного двигателя для каждого захвата усложняет конструкцию, увеличивает массу и требует сложных систем управления. Инженеры из Канадзавского университета предложили решение этой проблемы, представив роботизированную кисть с несколькими захватными модулями, управляемыми одним двигателем. Вместо независимых приводов для каждого механизма они разработали систему MaGDri (Magnetic and Gravity-based Driving), которая автоматически переключает передачу крутящего момента между захватными механизмами с помощью магнитных муфт и поворота подвижного основания под действием силы тяжести.

В основе конструкции находится двигатель, установленный на подвижном основании, способном свободно поворачиваться относительно корпуса кисти. На валу двигателя и приводных валах каждого захватного модуля размещены магнитные муфты в виде дисковых элементов с чередующимся расположением северных и южных полюсов. При совмещении муфт магнитное взаимодействие обеспечивает бесконтактную передачу крутящего момента: двигатель приводит в движение только определенный захват, тогда как остальные модули остаются неподвижными.

Механизм MaGDri работает в двух состояниях — передачи момента и переключения. В рабочем режиме двигатель приводит в движение выбранный захват, выполняя сжатие или раскрытие пальцев. Магнитное взаимодействие между муфтами удерживает соединение и предотвращает случайное переключение. Когда захват достигает конечного положения или удерживает объект, дальнейшее вращение двигателя вызывает рост противодействующего момента и относительное угловое смещение магнитных элементов. При увеличении смещения передаваемый момент сначала достигает максимума, а затем снижается, что приводит к магнитному расцеплению.

После расцепления подвижное основание с двигателем освобождается и поворачивается под действием силы тяжести до положения, в котором магнитная муфта двигателя совмещается с муфтой другого захватного модуля. После повторного соединения двигатель начинает передавать крутящий момент новому захвату. Таким образом, переключение между механизмами выполняется автоматически без дополнительных приводов.

Каждый захватный модуль оснащён червячной передачей с эффектом самоблокировки. Она позволяет двигателю вращать выходной механизм, но не допускает обратного проворачивания под нагрузкой. Благодаря этому после переключения двигателя ранее активированный захват сохраняет своё положение и продолжает удерживать объект.

Исследователи разработали два прототипа: первый включал двухпальцевый и трёхпальцевый захваты, а второй состоял из пяти независимых двухпальцевых модулей. Эксперименты подтвердили возможность переключения между захватами во время операций захвата и отпускания. Робот успешно работал с объектами различной формы, включая прямоугольные и цилиндрические предметы, выбирая подходящий для этой задачи механизм.

Для оценки универсальности разработки были проведены успешные испытания с 12 объектами различной формы, включая предметы из набора YCB, используемого для тестирования роботизированных систем. Среднее время переключения составило 0,41 секунды, сила захвата достигла 20,5 Н для двухпальцевого модуля и 12,2 Н для трёхпальцевого. После 1000 циклов переключения заметных признаков износа обнаружено не было.

Главным ограничением текущей реализации является зависимость переключения от ориентации роботизированной кисти. Для перехода к другому захвату целевой модуль должен находиться в положении, при котором подвижное основание с двигателем может повернуться под действием силы тяжести. В дальнейшем авторы планируют увеличить количество захватных модулей, провести испытания системы в промышленных задачах pick-and-place и интегрировать полностью автономное управление.

Полная научная статья доступна на IEEE Xplore.