Дрон с хоботом дотянется до предметов в ограниченном пространстве

Китайские инженеры разработали квадрокоптер, снизу которого установлен трехсекционный манипулятор, напоминающий слоновий хобот. Манипулятор управляется с помощью системы тросов, он может изгибаться и отклоняться во всех направлениях, благодаря чему дрон способен проникать в узкие ограниченные пространства, а также захватывать предметы неправильной формы. Статья с описанием конструкции опубликована в журнале Nature Communications.

Современные мультикоптеры обычно применяются для задач, не требующих непосредственного контакта с объектами (аэрофотосъемка или инспекция инфраструктуры). Однако иногда все же возникает необходимость активно взаимодействовать с окружением — например, захватывать и перемещать предметы. Для этих целей на дроны устанавливают устройства для захвата объектов. Например, разработанный инженерами MIT дрон с установленными снизу четырьмя мягкими пальцами способен подбирать предметы прямо на лету, а созданный в Германском аэрокосмическом центре беспилотный синхрокоптер, оснащенный полноценной роборукой с семью степенями свободы, может не только захватывать объекты, но и выполнять с ними различные действия.

Несмотря на то, что оба этих дрона выполняют свою основную задачу — захват грузов — они не лишены недостатков. К примеру, первое решение работает только с предметами, расположенными на открытом пространстве — дрон с таким типом захвата не сможет, например, достать объект из глубокого контейнера. С этой задачей может справиться второй беспилотник, благодаря роборуке с множеством степеней свободы. Однако большая масса манипуляторов такого типа серьезно снижает маневренность и грузоподъемность дрона в целом. Кроме того, жесткая конструкция роборуки с шарнирными соединениями мешает проникать в ограниченные пространства с несколькими преградами, а также не позволяет захватывать предметы сложной формы.

Инженеры под руководством Пэна Лу (Peng Lu) из Гонконгского университета попытались решить эти проблемы, вдохновившись гибкостью и ловкостью слоновьего хобота. Они разработали легкий летающий манипулятор под названием AET (Aerial Elephant Trunk), который представляет собой квадрокоптер с установленным снизу длинным гибким робохоботом, способным изгибаться практически в любом направлении.

Хобот имеет длину 63 сантиметра и радиус 25 миллиметров. Оно состоит из трех последовательно соединенных гибких секций, каждая их которых представляет собой цилиндрический каркас из нескольких пластин, внутри которых проходят управляющие тросы. Они натягиваются с помощью шести электроприводов, находящихся в основании манипулятора. Когда один из тросов укорачивается, секция изгибается в его сторону, а противоположный трос ослабляется. Секции соединены между собой таким образом, что каждая может двигаться независимо. Максимальные углы изгиба составляют 105, 120 и 132 градуса для первой, второй и третьей секций соответственно. В местах соединения секций установлены датчики IMU, измеряющие их положение и угол изгиба, что позволяет системе управления контролировать форму манипулятора в реальном времени. Общая масса AET составляет 1,8 килограмма, а сам манипулятор весит всего 155 грамм.

В ходе экспериментов манипулятору пришлось проходить через обрезки труб L-, C- и S-образной формы, демонстрируя способность адаптироваться к ограниченному пространству. Другая серия испытаний показала, что хобот способен захватывать объекты, обвиваясь вокруг них. АЕТ успешно поднял предметы различной формы и массы, включая бутылки, инструменты и даже другой дрон. Рекомендуемая грузоподъемность манипулятора составила около 0,8 килограмма. А вот при более высокой нагрузке оно начинает деформироваться, поэтому максимальную массу поднимаемых объектов инженеры оценили в 1,2 килограмма. В сложных сценариях хобот успешно захватывал объекты в узких неструктурированных окружениях, например, внутри контейнера за несколькими препятствиями.

В будущем разработчики планируют сосредоточиться на улучшении автономности AET, добавив в систему управления продвинутые алгоритмы построения карт окружения и распознавания объектов, чтобы манипулятор мог работать без вмешательства человека. Планируется, что летающий манипулятор пригодится в различных промышленных сценариях, например, для инспекции и обслуживания мостов, линий электропередач и в поисково-спасательных операциях.

Существуют и более специализированные летающие манипуляторы. Например, Geranos — октокоптер, предназначенный для захвата и переноски цилиндрических объектов (стержней, труб или столбов) длиной до двух метров. Для уменьшения влияния инерции груза на динамику полета дрон захватывает стержень таким образом, что он проходит сквозь полость в центре рамы.