И прыгать в высоту
Американские инженеры разработали одноногого робота StaccaToe на основе робоноги, имитирующей анатомию человека. Нога имеет подвижный голеностопный сустав с двумя степенями свободы и стопу с отклоняемым мыском. Расположенные в бедре актуаторы, приводящие суставы робота в движение через систему ремней и шкивов, могут действовать одновременно и за счет этого генерировать значительный крутящий момент, например, для выполнения прыжков. Исследователи провели эксперименты, демонстрирующие способность StaccaToe удерживать равновесие, стоя на цыпочках, и выполнять прыжки в высоту. Препринт статьи опубликован на сайте arXiv.org.
На сегодняшний день инженеры научились создавать человекоподобных роботов, которые могут хорошо держать баланс при медленной ходьбе и достаточно уверенно передвигаются по разным типам рельефа. Тем не менее большинство из существующих моделей роботов-гуманоидов до сих пор уступают человеку в ловкости, скорости и динамике движений. Одна из причин связана с конструкцией ног. Она, как правило, упрощена и существенно отличается от анатомии человеческих конечностей, которые имеют подвижный голеностопный сустав с несколькими степенями свободы и сгибающуюся ступню с отклоняющимся мыском. Кроме этого, работающие совместно мышцы способны генерировать движения со взрывной динамикой, которые пока недоступны роботам.
Приблизить способности робоног к человеческим попытались инженеры из лаборатории робототехники IRIM lab Корейского института технологий и образования. Год назад они представили разработку под названием HyperLeg — робоногу, которая имитирует анатомию и возможности человеческой. При схожей с биологическим прототипом массе в 8 килограмм HyperLeg имеет подвижный голеностопный сустав с двумя степенями свободы и подвижную стопу с округлой пяткой и отклоняемым мыском.
Работу коллег продолжили американские инженеры под руководством Кима Дон Хёна (Donghyun Kim) из Университета Массачусетса в Амхерсте. Используя наработки предыдущей команды, они усовершенствовали конструкцию робоноги и создали на ее базе одноного робота StaccaToe для подробного изучения возможностей человекоподобной робоконечности. Робот имеет высоту 1,2 метра, массу — 16 килограмм и оснащен шестью электромоторами. Так же, как и в HyperLeg, моторы, отвечающие за движение коленного сустава, лодыжки и мыска установлены в бедре, а усилия на суставы передаются через ременные передачи, шкивы и тяги. Робот может поднимать носок ступни в направлении к голени, а голеностопный сустав отклоняет ступню не только в продольном, но и в поперечном направлении в обе стороны. Помимо бедра, голени, лодыжки, ступни и отклоняемого мыска, у StaccaToe есть также небольшое тело, в котором размещаются электронные компоненты и батарея.
Инженеры провели тщательную ревизию количества деталей и оптимизировали их форму. В сравнении с оригиналом в бедре и голени StaccaToe стало меньше на 28 и семь деталей соответственно. Это позволило упростить сборку и повысить надежность робота. Изменение конструкции системы шкивов и оптимизация расположения компонентов привели к уменьшению ширины ноги. Масса была уменьшена на 15 процентов по сравнению с HyperLeg, что составило примерно 0,5 килограмма. При этом оптимизированные детали сохранили необходимую жесткость для обеспечения точного управления и стабильности робота.
В качестве бортового компьютера в роботе используется UP Xtreme Intel Core i7. Отслеживать положение в пространстве помогают инерциально-измерительные модули IMU. Плата управления моторами обеспечивает высокие токи при напряжении до 48 вольт, что дает необходимую мощность при пиковых нагрузках и позволяет генерировать резкие взрывные движения, необходимые для спринта и прыжков.
Чтобы протестировать возможности робота StaccaToe, разработчики выполнили два эксперимента. В первом StaccaToe поднимался из положения стоя на всей стопе, смещал центр массы вперед и затем переходил в положение стоя на носке, что доказало возможность поддержания устойчивого баланса робоноги в позе на цыпочках. Во втором случае робот успешно выполнил вертикальный прыжок, полностью оторвавшись от пола. Этот опыт показал высокую эффективность коактуации — одновременной совместной работы всех электромоторов, отвечающих за движения суставов. Коактуация позволила суставам сгенерировать значительно больший крутящий момент, чем при использовании отдельных приводов, что привело к более мощному отталкиванию от земли. Во время фазы отталкивания при прыжке коленный сустав с коактуацией смог генерировать крутящий момент более 100 ноютон-метров, что превышает возможности отдельного привода колена (80 Нм) примерно на 25%.
Полученные наработки инженеры планируют в будущем применить для создания нового двуногого человекоподобного робота PresToe. В перспективе он должен стать первым роботом-гуманоидом, который может не только ходить, но будет также способен бегать спринт и выполнять прыжки с высокой динамикой.
Один из немногих человекоподобных роботов, приближавшийся по динамическим возможностям к человеку — робот Atlas с гидравлическими актуаторами, созданный компанией Boston Dynamics, недавно был «отправлен в отставку». Компания отказалась от дальнейшей разработки гидравлической версии робота и представила Atlas нового поколения с электрическими актуаторами.
И чистить их
Компания Migo Robotics разработала робопылесос, который способен спускаться и подниматься по лестницам, попутно очищая ступеньки. Робот оснащен модулем пылесоса и шваброй для влажной уборки. За навигацию отвечают лидар, HD-камера и ToF-сенсоры, а встроенные алгоритмы распознавания образов могут определить более 100 типов объектов. Одного заряда хватает, чтобы провести уборку на площади 500 квадратных метров, сообщает New Atlas. Подробная информация об устройстве доступна на Kickstarter.