Квадрокоптер научил двуногого робота летящей походке
Японские инженеры создали двуногого робота с закрепленным на нем квадрокоптером. Дрон в этой системе задает движение, а ноги самостоятельно подстраивают походку под скорость дрона, рассказали разработчики изданию IEEE Spectrum. Авторы представили доклад на конференции SIGGRAPH 2018.
Из-за своей конструкции двуногие роботы нестабильны и инженерам приходится находить самые разные способы поддержания баланса. При этом даже передовым роботам, которые участвуют в DARPA Robotics Challenge, зачастую не удается сохранить равновесие в достаточно простых ситуациях. Некоторые инженеры упрощают задачу, добавляя двуногому роботу поддерживающую конструкцию, не дающую ему упасть. К примеру, у робота BALLU такой конструкцией выступает воздушный шар, а двуногий робот ATRIAS закреплен на жесткой поворотной балке. Хотя такие конструкции действительно упрощают поддержание баланса, они также ограничивают движения робота.
Сюндзи Яманака (Shunji Yamanaka) и его коллеги из Токийского университета использовали для поддержания баланса квадрокоптер, закрепляемый над корпусом двуногого робота. Они выбрали именно такую схему, потому что дрон позволяет не только поддерживать робота в вертикальном положении, но и с большой точностью направлять его в нужную сторону.
Каждая нога робота состоит из двух сегментов, и в каждом из двух соединений установлен сервомотор. Алгоритм, управляющий ногами, получает в качестве исходных данных скорость квадрокоптера, и планирует движения ног таким образом, чтобы при контакте с землей скорость ноги была нулевой. Инженеры использовали алгоритм машинного обучения, который получает награду в соответствии с тем, насколько скорость ноги близка к нулю в момент контакта.
Стоит отметить, что для измерения скорости инженеры используют внешнюю стационарную систему отслеживания движений, поэтому пока робота нельзя использовать вне специально оборудованного помещения. Авторы рассказали, что рассматривают робота как исследовательский проект, который можно применять на практике только для развлечения, к примеру, для создания реалистично ходящего персонажа мультфильма.
Интересно, что в области двуногих роботов есть и другое направление — некоторые инженеры разрабатывают системы, позволяющие уже падающим роботам минимизировать последствия падения. Недавно американские инженеры научили двуногого робота при падении хвататься руками за близлежащие предметы и, по возможности, даже возвращаться в исходное положение, а в 2016 году другая исследовательская группа создала алгоритм, позволяющий роботу смягчить удар при падении на пол.
Григорий Копиев
И летать по заданной траектории
Инженеры разработали прототип миниатюрного орнитоптера под названием Bee++. В воздух он поднимается с помощью четырех крыльев, а его масса составляет 95 миллиграмм. Махолет управляется по тангажу, крену и рысканью и способен летать по заданной траектории. Статья с описанием робопчелы опубликована в журнале IEEE Transactions on Robotics. В последние годы становятся популярными разработки в области миниатюрных беспилотников, которые по размеру сопоставимы с насекомыми. Миниатюризация вынуждает инженеров отходить от ставшей уже классической схемы с воздушными винтами и электромоторами, так как использовать их эффективно в беспилотниках весом меньше грамма невозможно. Вместо этого инженеры используют схему орнитоптеров — летательных аппаратов, у которых подъемная сила создается за счет периодических взмахов крыльями. Для приведения их в движение обычно применяют пьезоэлектрические актуаторы, передающие усилие на крылья через механическую трансмиссию. Несмотря на то, что эта схема доказала свою работоспособность, большинство из созданных сегодня миниатюрных махолетов не имеют стабильного управления по оси рысканья. Эту проблему решили инженеры под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) из Университета штата Вашингтон. Они построили миниатюрный орнитоптер, который управляется по всем трем осям. Микроорнитоптер, названный Bee++, представляет собой улучшенную версию орнитоптера, представленную авторами в 2019 году. Так же, как и предшественник, Bee++ имеет четыре машущих крыла, приводимых в действие индивидуальными пьезоэлектрическими актуаторами, а его масса составляет 95 миллиграмм. Сверху и снизу на корпус установлены восемь защитных стержней, которые предотвращают махолет от ударов об окружающие предметы. Питание прототип получает через провода. Несмотря на то, что крылья не имеют механизмов управления углом установки, плоскости их движения имеют заранее определенный наклон. Благодаря этому удается создавать крутящий момент по крену, тангажу и рысканью за счет изменения амплитуды движения пар крыльев. Например, для того чтобы наклонить махолет вперед, амплитуда пары крыльев, расположенных в передней части уменьшается, вследствие чего снижается генерируемая ими тяга. В результате орнитоптер наклоняется заданном направлении. Аналогичным образом происходит управление по оси крена с помощью боковых пар крыльев. Для поворотов по оси рысканья изменяют амплитуду движения пар крыльев, расположенных по диагонали. Набор или снижение высоты происходит при увеличении или снижении частоты взмахов всех четырех крыльев. Инженерам удалось увеличить частоту движений крыльями, что привело к увеличению тяги на 125 процентов по сравнению с предыдущей версией робопчелы, которая могла лишь держаться в воздухе, но не имела достаточной тяги для управления рысканьем. В испытаниях робопчела продемонстрировала хорошую управляемость по оси рысканья и способность разворачиваться на угол 90 градусов за 50 миллисекунд со скоростью около 1800 градусов в секунду, что сравнимо с характеристиками мухи дрозофилы. Также робопчела успешно продемонстрировала способность удерживать положение корпуса по оси рысканья при одновременном перемещении по сложной траектории. По словам разработчиков в будущем в созданную ими платформу можно будет интегрировать сенсоры, которые позволят системе управления робопчелы ориентироваться в пространстве. https://www.youtube.com/watch?v=m9lLO1QpdcE Ранее мы рассказывали об инженерах из США, создающих крупные орнитоптеры, которые внешне похожи на птиц. Для этого они используют чучела настоящих животных. Корпус одного из прототипов покрыт перьями кеклика, а в его передней части находится голова чучела этой птицы, а во втором беспилотнике используются настоящие крылья голубя.