Дрон с мягким манипулятором научился хватать предметы на лету

Инженеры из MIT разработали квадрокоптер Soft Drone с захватом из мягкого материала, который способен подбирать предметы различной формы на лету. Дрон самостоятельно определяет положение объекта, планирует траекторию пролета над ним и управляет движениями четырех пальцев установленного снизу захвата. В проведенных испытаниях в помещении и на открытом воздухе Soft Drone успешно захватывал различные предметы на скорости до двух метров в секунду. Дрон способен захватывать даже движущиеся объекты: например, он смог ухватить аптечку с движущегося четвероногого робота и пластиковую бутылку с поверхности вращающегося стола. Статья опубликована в журнале npj robotics.

Многие современные мультикоптеры применяются для задач, не требующих непосредственного контакта с объектами, таких как аэрофотосъемка или инспекция инфраструктуры. Однако существуют приложения, в которых необходимо не просто наблюдать, но и активно взаимодействовать с окружающей средой — например, поднимать, перемещать и доставлять различные грузы. Для этого можно приземляться для погрузки или оснастить дрон манипулятором, чтобы захватывать объекты в полете.

Большинство существующих решений второго типа предполагают, что беспилотник будет подлетать и зависать над объектом для точного позиционирования манипулятора, тратя время и энергию. Это приводит к уменьшению времени полета и ограничивает эффективность дрона в ситуациях, когда важна скорость действия — например, при экстренной доставке медицинских грузов или во время спасательных операций. В таких случаях пригодились бы решения для захвата груза на лету.

Одно таких решений разработали инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Луки Карлоне (Luca Carlone). В 2021 году они создали квадрокоптер Soft Drone, который способен захватывать объекты почти без остановки. Достичь этого удалось в первую очередь благодаря конструкции манипулятора с четырьмя пальцами из силиконового эластомера. Движения каждого пальца — сжатие и раскрытие — контролировались с помощью натяжения двух тросов-сухожилий. Дрон подлетал к объекту и быстро обхватывал его манипулятором, однако, несмотря на высокую скорость, с которой происходил захват, дрону все же приходилось кратковременно притормаживать над предметом. Кроме того, алгоритмы распознавания объекта и построения траектории движения опирались на данные с внешних камер, снижая автономность решения.

В новой версии Soft Drone инженеры исправили эти недочеты. Во-первых, они изменили конструкцию манипулятора. Теперь мягкие пальцы отливаются из вспененного полиуретана в изогнутой форме, что превращает их в пружину, для разжатия которой используется только один трос. Такая конструкция с одной степенью свободы дает более высокую скорость закрытия манипулятора и ограничена только упругостью материала. Захват при этом становится пассивным и для удержания предмета не требуется постоянно затрачивать энергию. Испытания силы удержания показали, что полностью закрытый захват способен держать объекты массой до двух килограмм.

Вторым существенным изменением стала бортовая система восприятия: инженеры установили на дрон две камеры RealSense. Камера глубины D455, установленная спереди, используется для оценки позы захватываемого объекта с помощью нейросетевого алгоритма обнаружения ключевых точек. При этом 3D-геометрия целевых объектов должна быть известна заранее, чтобы алгоритм распознавания мог сопоставить обнаруженные ключевые точки на изображении с точками на CAD-модели объекта в памяти. Камера T265, установленная сзади, выполняет визуально-инерциальную одометрию для определения собственного положения дрона в пространстве. Данные с камер обрабатываются на бортовом компьютере Jetson Xavier NX в режиме реального времени, что позволяет дрону самостоятельно планировать траекторию подлета к предмету и процесс его захвата.

В ходе испытаний Soft Drone, общая масса которого с манипулятором составляет около двух килограмм, успешно захватывал статичные объекты (небольшую аптечку массой 148 грамм, пустую двухлитровую бутылку массой 60 грамм и картонную коробку массой 115 грамм) на лету на скорости до двух метров в секунду, используя только собственные бортовые камеры для оценки положения объекта и построения траектории. Объекты были закреплены на горизонтальной поверхности с помощью слабых магнитов, чтобы предотвратить смещение под действием воздушного потока от винтов дрона. Эксперименты проводились как в помещении, так и на открытом воздухе.

Кроме этого, дрон продемонстрировал способность захватывать движущиеся цели. К примеру, он успешно захватывал аптечку, установленную на спине движущегося четвероногого робота, а также бутылку, находящуюся на вращающемся столе. Максимальная относительная скорость дрона и объекта при этом составляя 1,5 метра в секунду. Для этих экспериментов снова была задействована внешняя система захвата движений, так как собственное восприятие дрона не справлялось с возникающими ошибками.

В дальнейшем инженеры планируют усовершенствовать систему восприятия, чтобы она могла распознавать объекты без предварительного знания их формы и размеров. Кроме того, будет проведена работа по увеличению грузоподъемности дрона и повышению точности захвата движущихся объектов.

Вместо того чтобы прикреплять к беспилотнику отдельный манипулятор, можно пойти альтернативным путем и использовать в качестве манипулятора весь дрон целиком. Такой дрон-трансформер, состоящий из нескольких сегментов, разработали японские инженеры. Он способен менять форму прямо в полете, благодаря чем умеет поворачивать вентили, двигать предметы и захватывать груз, огибая его с двух сторон.