Двуногий телеуправляемый робот использовал человека для удержания своего равновесия
Американские инженеры создали систему для удаленного управления экспериментальным двуногим роботом. Ее отличие от большинства подобных систем заключается в том, что оператор не только управляет движением робота, но и получает обратную связь — например, когда робота толкают. Кроме того, разработчики использовали в системе пропорциональную передачу движений, учитывающую разницу в размерах, массе и конструкции между человеком и роботом. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
В последние годы в области ходячих роботов произошел резкий скачок развития. Некоторые разработки, к примеру, робот Atlas от Boston Dynamics, уже обладают впечатляющими возможностями. Однако даже их недостаточно для полноценного применения. Например, одна из самых перспективных областей применения двуногих роботов — устранение последствий природных и техногенных катастроф. Чтобы робот мог полноценно заменить спасателей в таких условиях, он должен не только шагать по развалинам, сохраняя равновесие, но и открывать двери, поворачивать краны, двигать большие конструкции и выполнять другие простые для людей, но сложные для машин действия.
У создания универсальных роботов есть альтернатива в виде телеуправления. Это позволяет частично использовать человека вместо сложных алгоритмов управления и датчиков. Однако у многих существующих телеуправляемых роботов есть недостатки. Главный из них заключается в отсутствии у многих таких разработок обратной связи. Кроме того, даже если она есть, синхронизация движений между оператором и роботом обычно не учитывает разницу в пропорциях, скорости движения и других важных параметрах.
Жуан Рамос (Joao Ramos) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Санг-Бэ Ким (Sangbae Kim) из Массачусетского технологического института создали двуногого робота Little HERMES, названного так по аналогии с более ранним и большим по размеру роботом HERMES. Он представляет собой двуногую конструкцию с двухсекционными ногами. Между собой, а также с общим центром ноги связаны мощными актуаторами. Кроме того, в основании каждой ноги установлено по четыре пьезоэлектрических датчика давления. Поскольку инженеры решали в рамках этой работы частную задачу, а не создавали полноценного универсального робота, он крепится штангой, удерживающей его и не дающей падать вперед или назад.
Робот управляется командами от стенда, на котором располагается оператор. Он, как и робот, механически связан со стендом с помощью двух двухсекционных штанг снизу (по одной на каждую ногу) и двух сверху, прикрепленных через жилет. Кроме того, пол, на котором стоит оператор, установлен на датчики давления, что позволяет рассчитывать силу, с которой ноги давят на пол.
Движения между оператором и роботом синхронизируются не напрямую. Вместо этого разработчики создали две модели, описывающие оператора и робота. Инженеры упростили задачу до обратного маятника, состоящего из центра масс сверху и жесткого стержня. Такая схема передачи данных о движениях позволяет корректно передавать движения между оператором и роботом, учитывая разницу в размерах.
Авторы показали на видео примеры того, что робот способен повторять движения человека при шагании и подпрыгивании вверх. Кроме того, на ролике можно видеть, что если робота толкают, он передает движение человеку, а тот компенсирует внешнее воздействие, тем самым спасая себя и робота от падения. Наконец, инженеры проверили схему со стабилизацией не в поперечной, а в продольной плоскости, при которой робот двигается вперед, когда человек шагает на месте.
Телеуправляемых роботов ранее создавали и другие инженеры. К примеру, в 2017 году такого робота представила Toyota. А европейские инженеры с 2018 года развивают проект телеуправляемого робокентавра. В конце года они научили его считывать положение тела человека и повторять его. Таким образом можно не только двигать самого робота, но и, например, поднимать предметы.
Григорий Копиев
А также летать, ездить и самостоятельно прокладывать маршрут
Инженеры разработали робота-трансформера под названием Morphobot M4, который может ездить как четырехколесный ровер, летать как квадрокоптер, ходить как четвероногий робот и стоять вертикально, балансируя на двух ногах-колесах. Кроме того он способен комбинировать эти режимы, чтобы преодолевать встречающиеся на пути препятствия. Робот оснащен автономной системой навигации и может самостоятельно прокладывать маршрут, выбирая подходящий режим передвижения. Благодаря таким возможностям Morphobot сможет применяться для широкого спектра задач, оптимально расходуя энергию. Статья опубликована в журнале Nature Communications. Большинство из существующих сегодня типов роботов не универсальны и не могут передвигаться в любых условиях одинаково эффективно. К примеру, мультикоптеры тратят много энергии в полете и поэтому могут находиться в воздухе непродолжительное время, а колесные и ходячие роботы обладают более высокой энергоэффективностью, но ограничены передвижением по относительно ровной поверхности. Инженеры пытаются обойти эти ограничения через создание гибридных конструкций. Например, американские инженеры совместили квадрокоптер с ходячим двуногим роботом, а разработчики из Кореи собрали гибрид коптера с колесным ровером. Большинство подобных проектов объединяет один недостаток: часть конструкции робота, предназначенная для передвижения в одной среде, никак не используется при движении в другой, выступая лишь в качестве пассивного груза. Инженеры под руководством Мортезы Гариба (Morteza Gharib) из Калифорнийского технологического института решили создать гибридного робота, все части конструкции которого принимают участие в разных типах движения. В результате у них получился робот-трансформер Morphobot M4, который представляет собой гибрид квадрокоптера и четырехколесного робота. Его масса около шести килограмм, а многие детали выполнены из углеволокна и с помощью 3D-печати. В режиме колесного ровера длина робота составляет 0,7 метра, а ширина и высота 0,35 метра. Четыре колеса робота диаметром 0,25 метра расположены на концах балок, которые играют роль подвижных конечностей. Они могут отклоняться сервомоторами в двух направлениях продольно и перпендикулярно в сторону от корпуса. Колеса приводятся в движение отдельными электромоторами. При трансформации в квадрокоптер обода выступают в роли защитных бамперов для воздушных винтов, расположенных внутри колес с электромоторами в осях, а четыре конечности робота разворачиваются, направляя плоскости пропеллеров параллельно поверхности земли. Корпус робота в этом режиме поддерживается расположенными снизу посадочными опорами. Суммарная тяга всех четырех винтов составляет около девяти килограмм. Morphobot может комбинировать два основных режима, например, для того чтобы преодолевать препятствия, которые он не может переехать. Для этого роторы в одной части робота разворачиваются в полетный режим, а вторая пара конечностей продолжает опираться на колеса. Таким образом робот может забираться на крутые склоны с наклоном больше 45 градусов, затрачивая меньше энергии, чем при полноценном полете в режиме квадрокоптера. Также используя пару винтов только с одной стороны М4 может принять вертикальное положение, балансируя на двух колесах, напоминая при этом двуногий ходячий робот. В режиме ровера М4 может регулировать высоту корпуса относительно поверхности, выдвигая конечности с колесами вперед и назад. Это может пригодиться для преодоления препятствий с ограничением по высоте. Робот также может ходить как четвероногий, перебирая конечностями с колесами как ногами, это может пригодится для преодоления неровностей на пути. Помимо этого, М4 способен использовать конечности с колесами в роли манипуляторов, ухватывая и удерживая предметы с помощью колесных ободов. В качестве примера разработчики продемонстрировали, как робот удерживает таким образом небольшой шар, балансируя при этом на двух колесах в вертикальном положении. Morphobot может передвигаться автономно, трансформируясь в наиболее подходящий в текущей ситуации режим. Для низкоуровневого управления используются два отдельных микроконтроллера, которые отвечают за движения колес и конечностей в режиме ровера и за полет в режиме коптера. Навигация и планирование маршрута происходят с помощью компьютера Jetson Nano, который использует данные об окружении, поступающие со стереокамеры Intel RealSense. На борту также есть инерционный измерительный модуль, средства беспроводной коммуникации для удаленного управления и батарея емкостью 4000 миллиампер-час. https://www.youtube.com/watch?v=S4eQXXxUnNE По словам разработчиков, такие способности позволят использовать подобных роботов-трансформеров для широкого спектра задач, например, для поиска и спасения людей во время стихийных бедствий, или в качестве робота для исследования космоса. Ранее мы рассказывали о другом дроне-трансформере с необычной конструкцией под названием DRAGON, которого построили японские инженеры. Он состоит из нескольких сегментов, может менять форму прямо в полете, захватывать предметы, огибая их с двух сторон и поворачивать вентили.