Лазающий робот с микрошипами на ступнях взобрался по каменной стене

Американские инженеры из Университета Карнеги — Меллона и Лаборатории реактивного движения NASA представили прототип робота-скалолаза LORIS, который может взбираться по вертикальным неровным поверхностям, используя для удержания пассивные захваты с микрошипами на ступнях и распределяя силы между конечностями. Это позволяет LORIS экономить энергию и вес, делая его более мобильным и подходящим для работы в труднодоступных местах. Испытания показали, что робот может взбираться по шлакоблокам, базальту, шлаку и туфу. Доклад с описанием робота был представлен на конференции ICRA 2024.

Уже некоторое время инженеры работают над созданием ходячих роботов, способных лазать по вертикальным поверхностям. Такая способность может пригодиться, например, для исследования пещер или скальных образований в будущих экспедициях на Луну и Марс. Один из способов удержаться на вертикальной стене связан с использованием микрошипов — небольших крючков, встроенных в подошву ног робота. Когда робонога с микрошипами упирается в поверхность стены или скалы, крючки цепляются за малейшие неровности и довольно прочно фиксируют положение конечности.

Проблема заключается в том, что обычно захваты с микрошипами плохо справляются с боковыми нагрузками. На достаточно ровной (и шершавой) поверхности направление нагрузки практически не изменяется, но в случае, если стена неровная и имеет множество выпуклостей с различной кривизной, тогда ноги с микрошипами должны выдерживать нагрузку, действующую под разными углами. В роботе-скалолазе LEMUR, разработанном в Лаборатории реактивного движения NASA, эта проблема решалась расположением микрошипов по окружности, чтобы часть из них всегда была направлена против внешней нагрузки, действующей в различных направлениях. Однако в этом случае для эффективной работы лапы необходимы дополнительные актуаторы, которые будут сжимать контактные площадки с шипами, цепляясь за поверхность независимо от положения ступни, что приводит к усложнению конструкции, увеличению ее массы и энергопотребления и не подходит для роботов более компактного размера.

Инженеры под руководством Аарона Джонсона (Aaron Johnson) из Университета Карнеги — Меллона попытались решить эту проблему и создали небольшого четвероногого робота-скалолаза с полностью пассивными ступнями с микрозацепами, способного передвигаться по различным вертикальным поверхностям, включая сильно неровные. Робот получил название LORIS (Lightweight Observation Robot for Irregular Slopes) в честь сумчатого животного лори.

Корпус робота длиной 315 и шириной 180 миллиметров выполнен из двух алюминиевых пластин, соединенных распорками. Он разделен на две равные части с подвижным соединением посередине. Каждая из четырех конечностей имеет три сустава с сервоприводами: плечевой, локтевой и дополнительный, отвечающий за отведение и приведение конечности к корпусу. Масса робота составляет 3,2 килограмм.

На концах лап у LORIS находятся пассивные ступни с двумя пальцами с микрошипами на концах. Угол между ними составляет 45 градусов. Пальцы могут независимо отклоняться на 30 градусов по вертикали, а вся ступня имеет три степени свободы, что позволяет пассивно автоматически подстраиваться под неровности поверхности. Пружины обеспечивают наклон пальцев при первоначальном контакте с поверхностью, но легко сжимаются, если поверхность более плоская. Каждый палец представляет собой набор из пластин из термопластичного полиуретана с рыболовными крючками на концах. Всего в двух пальцах 26 таких пластин.

Помимо лап у робота также есть активный хвост, который создает дополнительную опору и уменьшает нагрузку на передние лапы при подъеме. Для обработки данных и управления роботом используется бортовой компьютер Intel NUC или NVIDIA TX2. За создание карты рельефа применяется камера глубины Intel RealSense D435i.

Используя камеру, LORIS определяет рельеф поверхности перед собой и переставляет ноги по очереди таким образом, что лапы с крючками создают силы, направленные не только перпендикулярно поверхности, но и внутрь, к центру робота. Эта стратегия, вдохновленная насекомыми, позволяет существенно увеличить сцепление с поверхностью и предотвратить соскальзывание, несмотря на отсутствие актуаторов на каждой отдельной ноге.

Чтобы проверить LORIS в деле, инженеры провели ряд экспериментов на поверхностях из различных материалов, оценивая надежность сцепления и эффективность алгоритма управления. В каждом испытании робот должен был подняться на один метр за десять попыток. В тестах на ровных шлакоблоках LORIS без использования стратегии распределения нагрузки между лапами смог преодолеть стену только в 1 из 10 попыток, а с применением этой стратегии в 6 из 10 попыток. Частота ошибочных шагов с потерей сцепления с поверхностью при этом снизилась с 6,4 до 2,3 процента. Кроме этого робота испытали на более неровной поверхности базальта, шлака и туфа. Эксперимент показал, что LORIS демонстрирует хорошую адаптивность к неструктурированным поверхностям, а применение стратегии, увеличивающей сцепление противоположных ног, позволило добиться более высокой надежности.

В целом, эксперименты подтвердили эффективность конструкции робота и разработанного для него алгоритма управления. Однако из-за довольно высокого числа ошибок в будущем потребуется дальнейшая работа над алгоритмами планирования маршрута и выбора оптимальных точек опоры.

Микрошипы для удержания на поверхности применяются не только в ходячих роботах. Инженеры Стэнфордского университета, например, создали прототип квадрокоптера, который способен садиться на стены и потолок, используя систему сцепления с поверхностью, состоящую из двух комплектов микрошипов из закаленной стали.