Робогепарда с монетами в ногах научили приземляться по-кошачьи
Американские инженеры научили четвероногого робота Mini Cheetah приземляться на ноги после падения под произвольным углом вплоть до 90 градусов. В начале падения нейросеть за две миллисекунды рассчитывает траекторию движения, необходимую для горизонтального приземления. Поскольку для переворота необходимо перераспределять массу, разработчики утяжелили ноги робота, вставив в них сотни монет. Статья опубликована на arXiv.org.
Кошки в течение первых нескольких недель жизни начинают проявлять рефлекс выпрямления при падении, благодаря которому они приземляются на лапы, даже если изначально падали спиной вниз. Физики довольно долго пытались точно объяснить механику переворота и в итоге в конце 1960-х годов пришли к выводу, что падающая кошка совмещает два типа вращательных движений, изгибая спину в полете. Это надежный и практичный метод, но он не подходит для ходячих роботов, потому что обычно их конструкция не позволяет так изгибать тело.
Инженеры из во главе с Хай Линем (Hai Lin) из американского Университета Нотр-Дам разработали метод переворота в падении, который гипотетически подходит для большинства четвероногих роботов. Они проверили его работу на Mini Cheetah — четвероногом роботе, который инженеры из Массачусетского технологического института создали для разработки и отладки новых алгоритмов. У него классическая конструкция с ногами из двух секций, приводимых в движение электромоторами. Ноги Mini Cheetah могут двигаться в плоскости вдоль тела и поворачиваться вбок, но авторы решили не усложнять задачу и рассмотрели только вращение ног робота вдоль тела без учета других движений. Единственное аппаратное отличие от обычного Mini Cheetah — утяжеленные ноги. Инженеры сделали пластиковые насадки, в которые положили по 80 пятицентовых монет. Это позволяет менять распределение массы, двигая ногами, и тем самым поворачивать тело в нужную сторону.
Авторы опробовали разные подходы к управлению и в итоге остановились на нейросетевом контроллере. Он берет изначальное состояние робота (угол тела к полу и углы сегментов ног) и создает на его основе траекторию движений до самого контакта пола. Траектория состоит из набора состояний и крутящих моментов электромоторов ног, необходимых, чтобы прийти в следующие состояния. Она разбита на этапы, идущие каждую миллисекунду. Для обучения контроллера разработчики сгенерировали 400 пар типа изначальное состояние — траектория. Они использовали метод дифференциального динамического программирования, позволяющий искать оптимальную траекторию движения. С помощью этого датасета нейросеть научилась самостоятельно предсказывать оптимальную траекторию от изначального состояния к приземлению в горизонтальном положении, затрачивая на это две миллисекунды.
Инженеры протестировали алгоритм, сначала в симуляции, а затем в реальности, сбрасывая робота со стремянки. Тесты показали, что алгоритм хорошо справляется со своей задачей. Реальное поведение робота немного отличается от расчетного, авторы связывают это с тем, что не очень аккуратно смоделировали массу и размер ног, а также тем, что на самом деле робот двигается в разные стороны, а не только в одной плоскости, как рассматривает модель.
Недавно другая группа инженеров тоже научила четвероногого робота разворачиваться в «полете», двигая ногами, но в иных условиях. Они смоделировали невесомость, закрепив робота боком на платформе, почти не испытывающей трения с поверхностью. В результате робот научился маневрировать ногами в свободном «полете» и отталкиваться от поверхностей под заданным углом.
Григорий Копиев
Его скорость по вертикальным поверхностям достигает шести сантиметров в секунду
Инженеры разработали прототип гибридного орнитоптера, который может садиться и ездить по вертикальным поверхностям. Помимо четырех машущих крыльев он имеет два воздушных винта и гусеничный привод с клейкими лентами, который используется для движения по стенам. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Research. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Свобода передвижения, доступная летающим насекомым, давно вдохновляет инженеров, разрабатывающих беспилотники. К примеру способность мух быстро переходить от маневренного полета к передвижению по вертикальной поверхности пытались реализовать создатели дрона SCAMP. Они оснастили квадрокоптер двумя ножками с металлическими коготками, с помощью которых дрон может передвигаться по стенам, цепляясь за мелкие неровности. В случае срыва, дрон быстро включает роторы, чтобы предотвратить крушение. Существуют и другие прототипы мультироторных дронов, со способностью садиться на стены, однако орнитоптеры (даже с ногами) до сих пор на стену садиться не умели. Инженеры под руководством Цзи Айхуна (Aihong Ji) из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики разработали гибридный орнитоптер с небольшими вспомогательными воздушными винтами. Он может садиться на вертикальные поверхности, взлетать с них, а также передвигаться по ним, используя небольшой гусеничный привод с клейким покрытием и прижимную силу пропеллеров. Основную подъемную силу орнитоптера массой 135 грамм создают четыре машущих крыла, расположенные по X-образной схеме. Левая и правая пары крыльев приводятся в движение индивидуальными электромоторами. Изменяя независимо частоту их взмахов можно управлять беспилотником по оси крена. При полете на обычной скорости частота взмахов составляет 15 Герц, а максимально допустимая — 20 Герц. На носу и в хвосте орнитоптера расположены воздушные винты небольшого диаметра. В полете они генерируют дополнительную тягу, а также служат для управления по оси тангажа, отклоняя беспилотник вперед или назад. Ротор, установленный в хвосте, дополнительно имеет механизм управления вектором тяги — он может отклоняться с помощью сервопривода влево или вправо. Благодаря этому происходит управление орнитоптером по оси рыскания. В передней части аппарата установлен гусеничный привод, который используются для движения по вертикальным плоскостям. Ленты привода покрыты полидиметилсилоксаном, адгезивные свойства которого позволяют орнитоптеру удерживать сцепление с вертикальной поверхностью. При посадке на вертикальную поверхность орнитоптер сначала касается ее лентами привода, после чего изменяет уровни тяги хвостового и переднего роторов и переворачивается, прижав хвост к стене. Далее тяга роторов используется для создания прижимной силы. Так повышается сцепление и исключается возможное опрокидывание при движении. Взлет происходит в обратном порядке. Полный непрерывный переход воздух—стена—воздух происходит за 6,1 секунды. Прижимаясь к поверхности, гибрид может перемещаться по ней с помощью гусениц со скоростью до шести сантиметров в секунду. В экспериментах орнитоптер смог успешно сесть и прокатиться по стеклу, деревянной двери, мрамору, древесной коре, эластичной ткани и окрашенному листу металла. В воздухе на одной зарядке прототип может находиться около четырех минут и пролетать за это время около одного километра с максимальной скоростью 6,8 метров в секунду. https://www.youtube.com/watch?v=5st-wNxukTg В будущем разработчики планируют повысить сцепление гусеничного узла за счет добавки микрошипов в материал гусеничных лент. Также орнитоптеру добавят автономности — для этого его осностят сенсорами для самостоятельной навигации. Ранее другая команда инженеров, вдохновившись устройством крыльев жука-носорога, создала механическое крыло, которое может на короткое время складываться при ударе о препятствие, а затем вновь распрямляться за счет подвижного узла в верхней кромке. Миниатюрный орнитоптер с такими крыльями может продолжать стабильный полет, даже если его крылья ударяются об окружающие предметы.