Прыгавший без остановки робот Salto научился останавливаться
Американские и итальянские инженеры научили одноногого робота Salto-1P после прыжка приземляться в запланированной точке с большой точностью и останавливаться, не падая. Ранее робот мог прыгать только без остановки. Разработчики представили статью о новых способностях робота на конференции ICRA 2020 (препринт доступен на сайте университета), а также рассказали о них в интервью для IEEE Spectrum.
Salto — это одноногий прыгающий робот, первую версию которого американские инженеры представили в 2016 году и затем модифицировали. Современная версия Salto-1P управляет своими прыжками и местом приземления с помощью трехсекционной ноги с электромотором в основании, маховика на боку и двух боковых винтов. Это позволяло роботу достаточно точно рассчитывать свои прыжки и скакать по объектам с разной высотой. Но раньше для сохранения стабильности ему было необходимо постоянно прыгать, и для остановки его либо ловили руками в воздухе, либо направляли в сетку.
В новой версии алгоритма управления инженеры под руководством Рональда Феринга (Ronald Fearing) из Калифорнийского университета в Беркли значительно повысили точность приземления робота и научили его останавливаться после этого, а не отталкиваться и прыгать дальше. Основные улучшения касаются контроля момента импульса. Для этого робот точно рассчитывает и корректирует маховиком угол своего наклона к моменту приземления так, чтобы после касания пола момент импульса был небольшим и достаточным для того, чтобы робот перешел в вертикальное положение. Если угол в момент касания пола будет меньше нужного, то есть робот будет ближе к вертикальному положению, момент импульса будет слишком большим, чтобы маховик смог его погасить, и робот закрутится и свалится дальше по траектории.
Кроме этого разработчики доработали расчеты уровня подпружиненности ноги в момент приземления, а также расчет угла при начале прыжка. Последний элемент важен, потому что после отрыва робот может контролировать только свое вращение, а траекторию центра масс он уже поменять неспособен, поэтому точка приземления зависит именно от начальной фазы.
Улучшения в расчетах начальной фазы прыжка позволили уменьшить cреднеквадратическое отклонение от расчетной точки приземления с 9,2 до 1,6 сантиметра. А лучший контроль за углом наклона при приземлении позволил роботу останавливаться и выполнять по несколько точных прыжков подряд, чего было бы сложно достичь без возможности остановки.
В этой работе робот проводил расчеты, опираясь не только на свои показания, но и на точную внешнюю систему захвата движений. Но в прошлом году разработчики создали полностью независимую версию робота и продемонстрировали ролик, на котором он несколько сотен прыжков подряд передвигается по улице.
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.