Технології
Технології

Робот побалансував на кулі зі склянками води у руках

Американські інженери розробили для свого кулебота такі алгоритми планування, що той впевнено тримається на своїй кулі, якою і пересувається, а також може одночасно тримати по склянці води у руках. У цьому кулеботу допоміг відхід від стандартних способів керування рухом — контролер звертає увагу на імпульс тіла робота і так дає йому змогу спокійно балансувати. Новий алгоритм дослідники представили на конференції IROS 2021.

CMU Ballbot / YouTube

CMU Ballbot / YouTube

Як втриматися на кулі?

На початку двотисячних серед роботів з'явився новий клас — кулеботи (ballbot). Замість ніг, коліс, гусениць чи лап, рух їм забезпечує всього одна куля — звідти і назва. Тоді у статті під назвою «Oдного вистачить!» (One is Enough!) інженери університету Карнегі-Меллон постулювали: багатоколісні, хоч і стійкі на місці, мобільні роботи для роботи поруч із людиною — тупик еволюції робототехніки. Людиноподібні роботи достатньо людиноподібні, щоб ефективно взаємодіяти з нами, мають бути максимально маневреними і, на думку вчених, єдине, що зможе це забезпечити — єдина точка контакту із землею, здатна розвертати робота у всіх напрямках. На цю точку робота ставить куля, з якою він легко витримує зіткнення з перешкодами, ухиляється від них та загалом набагато більш витончені у своїх рухах. З моменту перших успішних експериментів кулеботи захопили інженерів та забрали увагу від статично стабільних роботів до динамічно стабільних. Втім, хоч останніми роками їх стає все більше, вони стикаються із проблемами цієї самої стабільності, якщо їх наділяють руками.

Додаткові маніпулятори, які тепер також треба враховувати при балансуванні, а також і вміти ними щось робити, стали потребувати нових підходів до координації тіла кулеботів. Для виконання складних завдань і збереження балансу, робот має навчитися оперувати і верхньою і нижньою частинами свого тіла. І для цього вчені знайшли кілька підходів. Наприклад, можна покладатися лише на центр мас робота і слідкувати, щоб він завжди знаходився близ точки опори. Але у такому разі роботу часто доводиться використовувати свої руки для підтримки положення центра мас, і їх не вистачає на корисні інженерам завдання. Плавні рухи допомагають забезпечувати підходи, які зосереджуються на кутових моментах робота — за ними його вчать триматися на своїй кулі рівно. Однак, тоді він не зможе, наприклад, швидко розмахувати руками. Автори цієї роботи зі Школи комп'ютерних наук університету Карнегі-Меллон Роберто Шу (Roberto Shu) та Ральф Холіс (Ralph Hollis) зі своїми кулеботами також випробували концепції із компенсацією зміщення центру мас з рухом рук за допомогою контролера, однак цей підхід вже не тримав робота у рівновазі, якщо збільшити кількість ступенів свободи його маніпуляторам. Тому цього разу вони вирішили повністю змінити концепцію і керувати роботом не через його рух, а через засновані на імпульсі контролери.

Навіщо робот тягав склянки?

Нові контролери, якими дослідники наділили робота, працюють через визначення бажаних імпульсів, що дає змогу інтуїтивно керувати поведінкою кулястого. Через визначення сили реакції опори та центру тиску на точках опори, такий підхід дасть змогу роботу їздити нерівними поверхнями, адже той підлаштовуватиметься під їхні параметри через самовідчуття після контакту з ними. Якщо ж кулеботу не вдастся одночасно реалізувати необхідні для балансу лінійні та кутові моменти, контролер знизить кутовий та додасть верхній чатсині тіла обертання, що нагадує людську поведінку, коли ми намагаємося втримати рівновагу через корпус тіла. Цей спосіб розв'язку задачі оптимізації вчені пристосували до кулебота з маніпуляторами, що мають сім ступенів свободи. І як перевіряти вміння балансу робота, якщо не вручити йому подібну задачу й у руки? Тож кожний маніпулятор отримав по склянці води та мав розібратися, як йому координувати себе у просторі, щоб втримати і їх і себе на місці.

З огляду на відео з експерименту, яке дослідники опублікували на своєму YouTube-каналі, робот відмінно справився зі своїм завданням. Його не збентежили ні поштовхи одного з інженерів, ні заміна склянок у руках, що свідчить про те, що такий підхід до планування руху працює. Роботу потрібно близько 20 секунд на створення попереднього плану руху, а затим він сам підлаштовується під умови, орієнтуючись на імпульс тіла.

Раніше ми також багато писали про те, як інженери разом із роботами знаходяться у пошуках балансу. Наприклад, робота-маніпулятора навчили жонглювати, щоб не змушувати його вчитися втримувати різні предмети. А телекерованому роботу за допомогою таці і зворотного тактильного зв'язку із оператором вдалося втримати куб і чашку. Втім, роботам варто вчитися втримувати і самих себе, тож невеликого колісного робота наділили рукою та навчили спиратися на стіни, щоб тримати рівновагу.