Четвероногого робота поставили на колеса
Robotic Systems Lab / YouTube
Швейцарские инженеры разработали алгоритм для управления четвероногими роботами с колесами на концах ног. Применив его на новой модификации робота ANYmal, они показали, что робот под управлением такого алгоритма передвигается по местности с разным рельефом лучше, чем аналогичные разработки. Статья будет представлена на конференции ICRA 2019.
Инженеры применяют в своих роботах различные механизмы передвижения, такие как колеса, гусеничные приводы и ноги. Они отличаются не только конструкцией, но и ходовыми качествами, делающими их оптимальными для тех или иных задач. К примеру, колеса позволяют передвигаться быстро и упрощают алгоритмы управления, а ноги позволяют преодолевать препятствия и передвигаться по сложному рельефу. Существуют даже роботы, в которых применяются оба этих механизма, но почти все из них активно используют только один из механизмов или применяют медленные статические движения.
Марко Хуттер (Marco Hutter) и его коллеги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали новую модификацию четвероногого робота ANYmal, оснащенную четырьмя ногами с колесами на концах, способную активно использовать два типа движений. Робот ANYmal был ранее разработан в той же организации и использовался этой и другими исследовательскими группами для экспериментов с различными алгоритмами управления. К примеру, недавно его научили ритмично танцевать под музыку. Робот приводится в движение 12 электромоторами, благодаря которым он может двигать каждой ногой в практически любом направлении.
Для своей новой работы инженеры модифицировали ANYmal, прикрепив на конец каждой ноги колесо с электромотором. Но главное достижение работы заключается в алгоритме, позволяющем роботу активно использовать ноги и колеса. Алгоритм основан на распространенном в области шагающих роботов методе поиска точек нулевого момента, при котором робот рассчитывает свои движения таким образом, чтобы сумма всех внешних сил была направлена к поверхности. В данном случае алгоритм постоянно рассчитывает треугольник, ограниченный тремя точками контакта ног с поверхностью, внутри которого может располагаться точка нулевого момента.
Робот может передвигаться на колесах вперед, поворачивать с помощью шагов, а также шагать вперед, если перед ним находится препятствие, на которое необходимо взобраться. Во время движения робот постоянно подстраивает положение каждой ноги таким образом, чтобы минимизировать перемещения центра масс по высоте.
Траектория центра масс (красная линия) при движении по неровной поверхности
Marko Bjelonic et al. / ICRA 2019
В будущем инженеры планируют продолжать совершенствовать алгоритм. В частности, они намерены научить его применять одновременно ходьбу и перемещение на колесах.
Недавно другая группа европейских инженеров представила робота Centauro, который также имеет четыре ноги с колесами на концах, но кроме этого оснащен двумя руками и умеет поворачивать колеса. В начале сентября инженеры продемонстрировали необычную систему управления этим роботом, позволяющую ему копировать движения человека, опираясь на изображения с камеру.
Григорий Копиев
Он может сам подключаться к зарядной станции
Инженеры разработали дешевое решение для автономной подзарядки электрических мультикоптеров. Система под названием AutoCharge представляет собой зарядную станцию с коннектором, оснащенным электромагнитом. Дрон также оснащается магнитным коннектором, размещенном на конце гибкого шнура. При сближении дрона со станцией, коннекторы притягиваются друг к другу, обеспечивая надежное электрическое соединение на время зарядки батареи. Препринт статьи опубликован на сайте arxiv.org. На сегодняшний день мультикоптеры — наиболее популярный тип беспилотных летательных аппаратов. Однако при всех достоинствах, дроны, построенные по этой схеме, обладают ключевым недостатком, который заключается в относительно невысокой продолжительности полета. Для большинства существующих моделей оно не превышает получаса. Увеличение количества батарей на борту приводит к утяжелению дрона и снижению массы полезной нагрузки, которую он способен нести. Например, квадрокоптер US-1, созданный компанией Impossible Aerospace способен на одном заряде провести в воздухе целых два часа и пролететь около 75 километров, но его собственная масса при этом составляет 7,1 килограмма, а полезная нагрузка массой всего лишь 1,3 килограмма снижает время полета со 120 минут до 78. Другой подход к увеличению времени полета дрона — использовать системы автоматической замены или подзарядки батарей в формате зарядных станций, расположенных на пути беспилотника. Однако существующие на сегодняшний день решения (гнезда дронов) не универсальны, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. Кроме того, от мультикоптера обычно требуется точная посадка на платформу, что не всегда легко реализовать на открытом воздухе. Группа инженеров под руководством Джузеппе Лоянно (Giuseppe Loianno) из Нью-Йорского университета разработала простое и дешевое решение AutoCharge для автономной подзарядки дронов любого размера. Оно представляет собой небольшую док-станцию на верхней части которой располагается электрический коннектор, совмещенный с электромагнитом. К дрону крепится гибкий шнур, один конец которого подсоединен к схеме питания батареи дрона, а на другом конце располагается коннектор с постоянным магнитом. Когда батарея беспилотника разряжается ниже порогового значения, он подлетает к зарядной станции. Свободно свисающий на конце шнура магнитный коннектор дрона оказывается в зоне действия магнитного поля электромагнита, встроенного в коннектор на док-станции, притягивается к нему и происходит их стыковка. Правильному и надежному соединению также способствуют отверстия, расположенные на коннекторе док-станции и выступающие штифты на коннекторе дрона. После успешного соединения электромагнит, встроенный в док-станцию, отключается и начинается зарядка батареи дрона. В этот момент дрон может приземлиться рядом или продолжать выполнять задачи в воздухе. После восполнения заряда батареи беспилотник может продолжать полет. Для этого он механически отсоединяет свой коннектор от зарядной станции, на которой с небольшой задержкой снова включается электромагнит, для выполнения следующей стыковки. По словам разработчиков, такая схема зарядки проста, подходит для дронов разных размеров и не требует использования сложных алгоритмов и механизмов для точной посадки, а стоимость док-станции с выполненным с помощью 3D печати корпусом не превышает 50 долларов. Длина шнура может подбираться в зависимости от задач. Например, если дрону не требуется находиться в воздухе во время зарядки, шнур может быть коротким. Это снижает массу дрона и повышает эффективность зарядки, а также почти не влияет на точность управления в полете. https://www.youtube.com/watch?v=6xYvI-qIe3M&t=11s Разработчики провели эксперимент, в ходе которого тестовый квадрокоптер действовал полностью автономно. После полетов по заданной траектории и уменьшения напряжения батареи до минимума дрон подключался к зарядной станции. Зарядив батарею, беспилотник отсоединял коннектор и вновь продолжал полет до очередного разряда. Эксперимент продолжался в течение десяти часов. В будущем инженеры планируют добавить возможность использовать систему зарядки AutoCharge без предварительного знания о местоположении зарядной станции, полагаясь лишь на бортовые камеры дрона для ее визуальной локализации. В случае если необходимо выполнять полеты дольше нескольких часов, дроны-квадрокоптеры оснащают гибридной силовой установкой. В такой схеме беспилотник использует электромоторы для вращения винтов, но энергия для них вырабатывается двигателем внутреннего сгорания. Например, в 2018 году китайские инженеры продемонстрировали полет шестироторного мультикоптера, оснащенного ДВС и аккумуляторами, в ходе которого дрон продержался в воздухе 7 часов и 17 минут.