Четвероногий робот забрался на вертикальную лестницу
Японские инженеры создали четвероногого робота, способного ходить по горизонтальным поверхностям и взбираться по абсолютно вертикальным лестницам, причем он самостоятельно распознает поручни лестницы перед собой. Разработка была представлена на конференции IROS 2019, кратко о ней рассказывает IEEE Spectrum.
Ходячие роботы стали популярны среди исследователей благодаря их способности преодолевать препятствия на местности, а также тому, что их элементы и алгоритмы получили сильное развитие в последние годы. Однако такие роботы обычно неспособны справляться с высокими препятствиями, хотя существуют и исключения, например, Atlas и Spot от Boston Dynamics или E2-DR от Honda. Но даже они могут забраться лишь на наклонные лестницы, а не вертикальные. Это связано с тем, что, когда робот взбирается на вертикальную лестницу, его центр тяжести слишком сильно отклоняется назад, и он не может удержаться без крюков или других удерживающих механизмов.
Наоюки Кубота (Naoyuki Kubota) из Токийского столичного университета и его коллеги оснастили четвероногого робота простыми захватами, не мешающими ему при ходьбе, но позволяющими взбираться вверх по вертикальным лестницам и продолжать путь наверху. Робот имеет достаточно сложную конструкцию ног с пятью степенями свободы в каждой. На конце ноги располагаются датчики силы и касания, а также защелка, позволяющая захватывать поручень на лестнице.
Для навигации у робота установлено два лазерных дальномера на спине и четыре времяпролетных камер на голове. Оба типа датчиков напрямую измеряют расстояние, посылая лучи, и измеряя время, через которое отраженные лучи возвращаются к ним. Данные с разных датчиков объединяются в единое облако точек, а алгоритмы машинного обучения самостоятельно распознают поручни лестницы и рассчитывают оптимальные точки захвата.
Стоит отметить, что алгоритмы робота не универсальны и их необходимо отдельно обучать для каждой лестницы, но в будущем авторы планируют исправить этот недостаток. Кроме того, на ролике можно видеть, что запись была многократно ускорена, и на самом деле робот двигается крайне медленно.
При создании роботов, работающих с высокими препятствиями, применяют и другой подход. Он заключается в распределении обязанностей между роботом, эффективно перемещающимся по горизонтальным поверхностям, и дроном, способным взлетать на большую высоту. При этом некоторые инженеры используют дрон как пассивный элемент, способный лишь собирать данные с высоты, а японские разработчики в начале года научили дрон закреплять на высоте трос и помогать роботу забраться на вертикальное препятствие.
Григорий Копиев
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.