Одноногий квадрокоптер с реверсом попрыгал с грузом в девять раз тяжелее себя

Инженеры разработали робопрыгуна, который может переносить груз в девять раз больше собственной массы. Он представляет собой квадрокоптер с закрепленной снизу телескопической ногой с эластомерным пружинным элементом, причем двигатели имеют режим реверса для дополнительного ускорения робота по направлению к земле, что позволяет запасать больше энергии в пружинном элементе. Благодаря этому 220-граммовый робот может переносить полезную нагрузку массой до двух килограмм: например, набор сенсоров и бортовой компьютер для автономного передвижения и картирования местности. Препринт доступен на сайте Лаборатории робототехники Городского университета Гонконга.

Мультикоптеры обладают высокой скоростью и маневренностью, но малым временем полета и низкой грузоподъемностью. Шагающие роботы, напротив, могут переносить значительный груз и уверенно передвигаются по неровной местности, однако при этом относительно медлительны и неспособны преодолевать высокие преграды. Эти ограничения подталкивают инженеров к проектированию гибридных конструкций, которые сочетат в себе сильные стороны обоих типов передвижения.

Одного из таких роботов спроектировали инженеры под руководством Пакпонга Чирараттананона (Pakpong Chirarattananon) из Городского университета Гонконга. В 2024 году они представили одноногого робота-прыгуна Hopcopter массой 35 грамм. Это мини-квадрокоптер, снизу которого была закреплена пассивная опора с пружиной. Хотя Hopcopter мог стабильно прыгать и развивал при этом высокую скорость, его небольшие размеры и потери энергии при сжатии пружины позволяли ему переносить только 8 грамм полезной нагрузки.

Теперь же группа Чирараттананона решила доработать и масштабировать конструкцию, создав робота-прыгуна, способного переносить тяжелые грузы. За основу инженеры взяли конструкцию Hopcopter: квадрокоптер с закрепленной под ним пассивной телескопической ногой с резиновыми амортизаторами. Масса нового робота составила 220 грамм. Главным нововведением стала установка моторов с режимом реверса и пропеллеров, которые могут создавать тягу как вверх, так и вниз. Оказалось, что возможность создавать тягу, направленную вниз во время движения робота к земле, кардинально меняет динамику прыжка. Если Hopcopter мог управлять энергией только за счет подъема на заданную высоту, то новый робот дополнительно ускоряет себя вниз перед приземлением. Это позволяет сильнее растягивать резиновые жгуты в пружинном элементе, запасая больше энергии для следующего прыжка.

Чтобы точнее управлять прыжками, инженеры создали новую динамическую модель, которая, в отличие от предыдущей, учитывает массу робота и полезной нагрузки в фазе контакта с землей. Она оказалась слишком сложной для бортового компьютера, поэтому вместо нее применили нейросеть, которая в реальном времени вычисляет, под каким углом и с какой ориентацией должен приземлиться робот. Для ее обучения разработчики сгенерировали большое количество данных, симулируя прыжки с разными начальными условиями с помощью точной модели.

Испытания показали высокую грузоподъемность нового робопрыгуна: он может совершать стабильные прыжки с грузом массой в два килограмма, что в 9,1 раза превышает его собственную массу. А с меньшей нагрузкой робот сохраняет высокую маневренность. Например, с грузом 1,5 килограмма он может перепрыгивать через забор высотой 60 сантиметров, а с грузом 1,1 килограмма совершает резкие повороты на 90 градусов, недостижимые в полете. Наконец, в финальной части экспериментов инженеры оснастили прыгуна лидаром и бортовым компьютером. Сначала робот, управляемый оператором, успешно прыгал по лесной тропе, создавая трехмерную карту местности в реальном времени. Затем была продемонстрирована полная автономия: робот самостоятельно прошел маршрут длиной 15 метров на открытом воздухе, обходя деревья и другие препятствия, используя для ориентации данные с лидара.

В апреле 2025 года инженеры из Китая и США представили одноногого робота-прыгуна схожей конструкции, но с массой меньше грамма. Вместо квадрокоптера конструкция основана на четырехкрылом орнитоптере. Он может нести полезную нагрузку вдвое больше собственной массы и развивает скорость до 30 сантиметров в секунду, что практически равно скорости полета орнитоптера.