Технології
Технології

Вентилятори підняли людиноподібного робота у повітря

Інженери з'ясували, що людиноподібного робота з десятьма ступенями свободи для пересування землею цілком можливо перекваліфікувати у летючого робота, якщо наділити його чотирма вентиляторами. Так вони, розміщені на ступнях та у попереку, підняли 17-кілограмового робота Jet-HR2 на висоту у метр. Поки це дещо схоже на стрибок, але дуже вивірений: вчені потурбувалися про систему контролю, яка допомагає Jet-HR2 тримати рівновагу. Стаття готується до публікації в IEEE Robotics and Automation Letters, а препринт статті доступний на сервісі arXiv.

Jet Power and Humanoid Robot Lab / YouTube

Jet Power and Humanoid Robot Lab / YouTube

Кому потрібен летючий гуманоїд?

Навіть найбільш досконалі роботи, які впевнено почуваються на землі і твердо тримаються на ногах, не застраховані від падінь. І найчастіше проблема лежить у тому, щоб перенести робота із лабораторій у реальний світ, де поверхня буває не просто незручною для ходи як-то пісок, а і небезпечною, приховуючи провалля або змінюючись водоймами. А оскільки роботи нам потрібні, щоб замінити у неприємних та небезпечних завданнях, то варто було б якось знайти для них способи їх виконувати та врешті випустити з експериментальних майданчиків. Найпопулярнішими на роль виконавців складних завдань, наприклад, рятувальних операцій, є людиноподібні роботи, адже для них не потрібно вигадувати ще і нових способів досягнення мети - можна просто подивитися, як це роблять люди. Традиційно перешкоди вони долають просто переступаючи або пересуватися плазуючи, що вже краще за падіння. Однак, насправді це технологічний жах, бо для складних завдань, які потребують швидкої реакції, змусити робота швидко зорієнтуватися у своїх чотирьох кінцівках і тим паче передбачити, що всі перешкоди буде можливо переступити, дуже складно.

Тож інженерам довелося вчити своїх гуманоїдів «повітряним навичкам», а зокрема підстрибуванню. Для цього достатньо зменшити вагу робота, оптимізувати кінцівки та передбачити хорошу амортизацію. Роботи вже навіть навчилися стрибати трохи вище своєї голови, але навіть типовий людиноподібний робот ATLAS від Boston Dynamics не зміг перестрибнути свої півтора метра зросту та навряд зможе повторити трюк на м'якій, скелястій або схильній до руйнування поверхні. Тим паче, що у реальному середовищі дуже складно передбачити можливість для робота безпечно приземлитися. Тому у новій роботі інженери Гуандунського технологічного інституту, що у Китаї, зійшлися на думці, що найкращим способом обійти ці обмеження - перелетіти їх. Так якщо у робота з'явиться можливість з невеликими енерговитратами підлітати над незручною місцевістю, зберігати при цьому рівновагу, а потім безпечно приземлятися, то можна значно зекономити на інженерних зусиллях щодо конструкції тих же ніг або захисту для робота.

Як навчити робота літати?

Розроблений вченими Jet-HR2 є більш цілісним родичем попереднього прототипа Jet-HR1, що у своєму арсеналі мав всього дві ноги, які переносив за допомогою таких самих вентиляторів над прірвою. Jet-HR2 поки також не обзавівся ні головою, ні руками, але отримав два додаткових вентилятори у попереку. Загалом ідея польоту на вентиляторах не нова і, наприклад, драконоподібний повітряний робот, з їхньою допомогою вміє трансформуватися та підійматися на висоту у вісім разів більшу за його ріст. Але досі до людиноподібних роботів вентилятори, за словами дослідників, кріпили лише вони. І це не дивно, адже з огляду на конструкцію таких роботів, домогтися стійкості положення у повітрі в умовах невеликого відношення тяги до ваги досить складно.

Конструкція робота вимагає компромісів з точки зору розподілу маси між виконавчими механізмами і силовими установками. Роботу необхідно переконатися, що суглоби мають достатню потужність для виконання таких завдань, як ходьба, а рушійні механізми можуть відповідати вимогам коротких відстаней польоту і не накладають надмірних навантажень під час ходьби. Роботам, які відповідають цим вимогам, важко досягти співвідношення тяги до маси більш як 2 або 4, як у випадку зі звичайними квадрокоптерами. Jet-HR2 має десять шарнірів у ногах для пересування по землі, а також чотири канальних вентилятори, два з яких встановлені на поясі і два всередині ступень та приводяться у дію рухами щиколотки. Щоб зменшити інерцію ніг, колінні шарніри Jet-HR2 розмістили близ тазостегнового суглоба, щоб максимально розмістити центр мас у верхній частині робота. Так під час польоту напрямок тяги активно контролюється регулюванням положення ніг. Кожен вентилятор може створювати тягу у п'ять кілограмів, що у сумі становить 20 - достатньо для підіймання 17-кілограмового робота у повітря. Оскільки співвідношення тяги до ваги тут невелике, система керування має ефективно розподіляти її та гасити стрибки і обертання, які призведуть до падіння.

Куди долетів робот?

Вчені провели кілька літних експериментів, щоб перевірити, чи може рухова установка дозволити роботу злетіти, та чи вдасться убезпечити його від падіння. Щоб не покладатися на вдачу, робота наділили ще рамою з двох вуглецевих трубок, за які його мали ловити. Так під час польоту перевірили три стратегії керування: увімкнені контролери тангажу і рискання, відсутність контролерів взагалі, а також робота лише з контролером тангажу. У всіх випробуваннях вентилятори дали роботу змогу злетіти, але із контролерами тангажу і рискання, тобто кутових рухів, Jet-HR2 досяг висоти у метр за дві секунди і врівноважився. Без них вже за секунду він починав пікірувати донизу.