Робокуб с балансиром и маховиком удержался на единственной точке опоры

Швейцарские инженеры разработали новую версию роботизированного куба Cubli, теперь он может балансировать на одной точке опоры, используя пассивный балансир и всего один маховик. О том, как это работает, создатели рассказали журналу IEEE Spectrum.

Обновлено: в мае 2023 года статья опубликована в журнале Mechatronics.

В робототехнике существует множество конструкций, которые вдохновлены животным миром и способны сохранять баланс. Например, человекоподобный робот Atlas, который умеет бегать, делать обратное сальто и заниматься паркуром и вставать на руки или LOLA, который помогает себе руками для стабильной ходьбы по сложному рельефу.

Однако простые роботы, которые имеют нестабильное строение и минимальное число степеней свободы, тоже могут сохранять равновесие. Нередко в таких устройствах используются маховики. Например, мы рассказывали о роботе с симметричной нестабильной конструкцией и двумя колесами-маховиками: на одном он ездит, а другое использует для поддержания баланса. Еще один пример — самосборные робокубы, которые могут не только удерживать равновесие, но и самостоятельно передвигаться.

Подобными разработками занимаются инженеры Института динамических систем и управления Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Сначала они создали роботизированную скульптуру The Balancing Cube, которая могла балансировать на любом из своих краев. Она состояла из не зависимых друг от друга модулей и работала за счет обмена информацией между ними. Затем представили Cubli, который умел не только балансировать, в том числе, на наклонной плоскости, но и перемещаться в заданном направлении. Внутри него было три маховика, необходимые скорости вращения которых рассчитывались автоматически исходя из положения куба в пространстве.

Теперь команда инженеров из того же института под руководством Маттиаса Хофера (Matthias Hofer) решила пойти дальше. Они создали новую версию Cubli, который, как и предшественник, может балансировать на одной точке. Однако для этого использует только один маховик — для выравнивания и по тангажу (по поперечной оси), и по крену (по продольной оси). Как и в случае с предшественником, инерционные датчики с его корпуса подают информацию о положении куба в пространстве на электрический мотор, который регулирует скорость вращения маховика. Реактивный момент действует на корпус конструкции и стабилизирует систему. Однако у нового робота две степени свободы (вращения вокруг вертикальной оси не происходит из-за трения) и всего один маховик. Поэтому баланс он сохраняет за счет разницы моментов инерции.

Для этого вдоль продольной оси корпуса нового Cubli разместили балансир (перекладину с утяжелителями). Такая конструкция сделала разницу в моменте инерции между двумя осями максимальной и увеличила его по оси крена. Маховик необходимо вращать быстрее, чтобы компенсировать тангаж, и медленнее — крен. Микроконтроллер куба использует это свойство и стабилизирует оба направления одновременно, рассчитывая необходимый для электрического мотора крутящий момент для поддержания баланса.

Эксперименты показали, что система работает — при выводе куба из равновесия он восстанавливается. Однако на видео-демонстрации он компенсировал только совсем слабое касание.

Как отмечают инженеры, у разработки есть потенциал для применения в космосе, а именно в управлении ориентацией спутников. Многие из них удерживаются в правильном положении именно за счет маховиков. Так, Cubli может стать примером управления спутниками вытянутой формы в случае их множественного отказа.

Ранее мы рассказывали о роботе, который также имеет конструкцию обратного маятника и способен передвигаться в любом направлении. Однако для сохранения баланса он использует другую технологию — две пары колес Илона, которые позволяю ему двигаться в любом направлении без поворота колес.