Немецкие инженеры разработали робота с симметричной нестабильной конструкцией с двумя колесами-маховиками: на одном он ездит, а другое использует для поддержания баланса. Разработчики предлагают использовать его как платформу для тестирования сложных алгоритмов управления роботами. Статья о роботе будет представлена на конференции IROS 2022 (препринт доступен на arXiv.org), также авторы выложили на GitHub файлы и документацию для самостоятельной сборки, которая обойдется примерно в 600 евро.
Многие роботы имеют стабильную конструкцию, например, четырехколесные роботы сохраняют свое положение, даже если их двигатели выключены. Но есть и много конструкций, в том числе и в животном мире, которые способны сохранять положение, только балансируя с помощью двигателей или мышц. Самый наглядный пример — люди и человекоподобные роботы, такие как Atlas. Есть также более простые роботы, которые имеют явно нестабильное строение и минимальное число степеней свободы, но тем не менее, могут удерживать баланс и двигаться в нужном направлении.
Нередко в таких устройствах используются маховики. К примеру, мы рассказывали о одноногом прыгающем роботе Salto, в котором маховик помогает управлять наклоном, и робокубе, в котором это вообще единственный источник движения. Инженеры под руководством Себастьяна Тримпе (Sebastian Trimpe) разработали робота Wheelbot для исследовательских задач, который примечателен тем, что у него есть всего два маховика для движения, а также своей полностью симметричной конструкцией.
У Wheelbot есть два колеса, которые установлены сверху и снизу перпендикулярно друг другу. Робот имеет довольно небольшие размеры: 16 на 22 сантиметра. А масса составляет 1,4 килограмма. Инженеры подсчитали, что для поддержания баланса крутящий момент мотора должен составлять 0,83 ньютон-метра, и выбрали бесколлекторный двигатель с моментом 1,3 ньютон-метра. Во время работы робот использует нижнее колесо как колесо для движения вперед и назад, а верхнее — как маховик, помогающий ему не падать вбок и поворачивать. При этом поскольку конструкция симметрична, каждое колесо может выполнять обе функции, все зависит только от того, в каком положении находится робот в текущий момент.
По бокам у робота есть восемь выступов, на которые он может опираться при падении или выключении. Эксперименты показали, что он может удерживать баланс даже при сильных толчках, а мощности мотора хватает, чтобы встать на колесо, даже если робот лежит на боку. Аккумулятора робота хватает примерно на 20 минут работы.
Поскольку конструкция Wheelbot — это по сути обратный маятник, инженеры выбрали для управления и поддержания стандартный для этой задачи линейно-квадратичный регулятор. Также они реализовали в нем режим вставания из бокового положения.
Авторы отмечают, что их цель заключалась в создании аппаратной платформы, на которой в дальнейшем можно будет тестировать более сложные и совершенные алгоритмы. Чтобы этим могли заниматься и другие исследователи, они опубликовали на GitHub код, документацию и модели для 3D-печати элементов корпуса, используя которые можно собрать свою копию Wheelbot. Инженеры оценивают себестоимость робота примерно в 600 евро, из которых почти половина приходится на электродвигатели.
В 2019 году британский инженер разработал нестабильного колесного робота, который обходится без маховиков. В нем используется необычная конструкция с четырьмя колесами Илона — когда они работают вместе, они позволяют роботу двигаться в любом направлении и тем самым поддерживать баланс.
Григорий Копиев
Теперь он может преодолевать выступы высотой до трех сантиметров
Инженеры из Японии разработали двухколесного робота на безободных колесах, спицы которых играют роль ног при передвижении. Для того, чтобы робот смог преодолевать неровности и ступеньки, его ноги сделали телескопическими, поместив внуть пружинные элементы, параметры которых были рассчитаны с помощью численного моделирования. Благодаря такой конструкции робот стал лучше адаптироваться к неровному рельефу и теперь может преодолевать ступеньки высотой 0,03 метра, не теряя скорости и равновесия. Статья опубликована в журнале Artificial Life and Robotics.