Um quadrúpede em escala centimétrica aproveita o origami de vinco curvo

Robôs que andam e rastejam em escala centimétrica são procurados tanto por sua capacidade de explorar ambientes apertados ou desordenados quanto por seus baixos custos de fabricação. Agora, partindo da construção inspirada no origami, pesquisadores liderados por Cynthia Sung, professora assistente do Gabel Family Term no Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada (MEAM) da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, criaram uma abordagem mais simplificada para o projeto e fabricação de esses robôs.

Conhecido como CurveQuad, este quadrúpede em escala centimétrica aproveita o origami de vinco curvo para dobrar, desdobrar, rastejar e dirigir, tudo usando um único motor. Os vincos curvos nesta técnica têm propriedades mecânicas interessantes em comparação com os desenhos de vincos retos mais comumente usados, porque induzem a flexão em uma folha dobrada. A energia, armazenada na dobra dos vincos e na dobra dos painéis, permite movimentos controlados, reversíveis e complexos usando menos atuadores.

“O robô é capaz de fazer essas coisas porque usa vincos curvos”, diz Sung, também membro do Laboratório Geral de Robótica, Automação, Sensoriamento e Percepção (GRASP) da Penn. “Como é simples e, portanto, relativamente barato, imaginamos que projetos semelhantes possam ser feitos no futuro para a rápida implantação de enxames robóticos, que poderiam ser produzidos por dólares ou potencialmente até centavos por robô”.

O artigo, “CurveQuad: um quadrúpede de origami em escala centimétrica que aproveita vincos curvos para se dobrar e rastejar com um motor”, foi publicado na revista Anais da Conferência Internacional IEEE/RSJ sobre Robôs e Sistemas Inteligentes. Os pesquisadores apresentaram seu trabalho em 2 de outubro na Conferência Internacional IEEE/RSJ 2023 sobre Robôs e Sistemas Inteligentes (IROS 2023), realizada em Detroit, MI.

O motor único do CurveQuad para autodobramento e movimento reduz a massa e o volume total do robô. O design inspirado no origami também simplifica a fabricação e montagem de um robô em escala centimétrica, fabricando o robô inteiro, ou suas partes, a partir de algumas folhas planas de material e, em seguida, dobrando-o em seu formato 3D, muitas vezes com componentes eletrônicos e atuadores totalmente incorporados. e computação a bordo. Esses processos de fabricação também são escalonáveis ​​para produção em grande volume.

CurveQuad é uma nova adição ao espaço de design escassamente povoado de robôs ambulantes dirigíveis e de atuador único. Com apenas oito centímetros de comprimento e pesando aproximadamente 11 gramas, é relativamente pequeno e leve para um robô ambulante motorizado, diz Daniel Feshbach, autor principal e estudante de doutorado no Sung Robotics Lab.

“A implicação mais ampla do CurveQuad é contribuir com evidências de que a curvatura bonita e suave das dobras curvas pode levar a movimentos complexos e úteis a partir de padrões de dobras muito simples”, diz ele. “O padrão de vinco curvo é o recurso central que permite ao CurveQuad dobrar-se, rastejar e dirigir automaticamente com apenas um motor.”

Os pesquisadores demonstraram o controle básico de feedback direcionando o robô em direção a uma fonte de luz a partir de diferentes posições e orientações iniciais. A equipe então ilustrou a agregação do enxame por meio de quatro robôs que se dirigiam simultaneamente em direção à luz. Os resultados destacam como o origami de vinco curvo em robôs automontáveis ​​e implantáveis ​​suporta movimentos complexos como a locomoção. Pesquisas futuras examinarão como robôs pequenos e descartáveis ​​poderiam explorar ambientes desordenados ou perigosos.

“O CurveQuad faz parte de uma linha de trabalho em nosso laboratório focada em simplificar o projeto e a montagem de robôs para que eles possam ser mais acessíveis, personalizáveis ​​e utilizáveis ​​pelo público em geral”, diz Sung. “Pense, por exemplo, em trazer uma caixa de robôs flatpack para algum lugar, fazer com que todos sejam dobrados e andados para fazer exploração ou detecção e, em seguida, achatá-los de volta na caixa para armazenamento até o próximo uso. Atualmente, estamos trabalhando em uma segunda versão deste robô com eletrônica totalmente integrada para que possamos demonstrar essa capacidade.”

Arquivos completos de fabricação e vídeos do robô podem ser encontrados em sung.seas.upenn.edu/publications/curvequad.