Маховик позволил роботу удержаться на одном колесе

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