Інженери розробили змієподібного жорсткого робота з кількох модулів, який вміє крутитися, котитися та перетворюватися на дво- або чотириногого робота, щоб долати перешкоди. ReQuBiS зможе долати складні середовища та при цьому навіть нести корисне навантаження. Свою роботу вчені представили на конференції IEEE — CASE'21, а стаття доступна на сервісі препринтів arXiv.
Навіщо змієподібному роботу ноги?
Інженери шукають найрізноманітніших рішень для того, щоб їхні роботи могли долати складні перешкоди, рухатися пересіченими місцевостями та оговтуватися після падінь. Багатою є область досліджень м'яких роботів, які підкуповують своєю гнучкістю, бо можуть не боятися за свої складові та пролазити у найнезручніші місця. Втім, гнучкість робить їх не надто швидкими та все ж не дає можливість виконувати завдання із навантаженням. Відповідником подібним характеристикам серед жорстких роботів є роботи-змії, що є достатньо рухливими, а через свій вузький поперечний переріз тіла стають більш універсальними за звичних нам роботів. Вони також вміють діяти у обмеженому просторі, пересіченій місцевості, долати схили і нерівну землю, та навіть плавати під водою і працювати у системах водопровідних комунікацій. Таких роботів часто використовують для виявлення витоків небезпечних хімічних речовин, пошуково-рятувальних операцій чи розвідувальних автономних роботів.
Але так само вони все ще не переганяють за ефективністю роботів із ногами — для переміщення структурованими середовищами, на кшталт сходів, ноги виявляються набагато більш зручним засобом пересування. Тим більше вони роблять робота більш працездатним, адже йому можна доручити носити корисне навантаження. Та й систему автономної навігації буде простіше зробити для них, адже рух покроковий і дає змогу датчикам стабільно рухатися і оцінювати середовище. Але робота датчиків все одно не захистить такого робота під час переміщення по місцевості з піщаним або м'яким ґрунтом, вузькими проходами чи обмеженими середовищами. Тому інженери наближаються до концепції реконфігурованих роботів, які зможуть поєднати переваги різних підходів.
Звідки ноги ростуть?
Модульних роботів існує багато: якісь вміють приєднувати і від'єднувати деякі з модулів окремо, а якісь можуть просто міняти спосіб пересування з перекочування до повзання. Однак вони все одно не здатні забезпечити реконфігурацію безпосередньо під час роботи, що знижує рівень автономності та ефективність. ReQuBiS є продовженням попередньої роботи дослідників. Попередній міг зі змії перетворюватися на двоногого без будь-якої перестановки модулів, тим самим усуваючи необхідність в складних механізмах від'єднання та повторного приєднання. Цей же вміє змінювати конструкцію зі змії у двоногого та чотириногого за допомогою всього одного механізму модифікації. Крім того, робот може розділитися на двох агентів для паралельного виконання завдань в конфігураціях змійки і двоногого тіла. ReQuBiS складається з семи модульних ланок, для яких потрібні двигуни з більш високим крутним моментом на крайніх кінцях, і двигуни з відносно низьким обертовим моментом в середині .
Двигуни з'єднані ланцюгом за допомогою затискачів з алюмінієвого листа товщиною 1,6 міліметра, а чотири стовпчасті конструкції прикріплені до кінцевих ланок і служать ногами для ходьби у формі чотириногого робота. Чотири з'єднання робота симетричні і не мають зсувів, а тому виконують роль колінних і гомілковостопних суглобів при пересуванні. У чотириногого робота складаються дві змії, які утримуються разом сильними неодимовими магнітами. Магніти забезпечують природне самовирівнювання і майже стовідсоткову точність у пересуванні. Можливість триматися разом забезпечується невеликим надрукованим на 3D-принтері виступом, який відкривається одним з роботів під час приєднання. Його спроєктували так, щоб повністю розмістити в поперечному перерізі модуля, аби не заважати роботу у пересування. Вага цього кріплення складає всього 43 грами — 3,21 відсотка ваги всього робота. Тому робот переживе і корисні навантаження як-то датчики або вантаж.
IvLabs / YouTube
Як робот перетворювався?
Дві змійки поєдналися у чотириногого робота на відстані, меншу за 5 міліметрів. Механізм модифікації — кріплення — висувалися із модуля одного робота та закріплювалася із модулем другого, завдяки чому вчені реалізували статичну ходьбу, при якій трансформована конструкція знаходиться в рівновазі на кожному часовому інтервалі виконання ходи. Спочатку чотири ноги стикаються з землею, де формують рівновагу. Хода розроблена таким чином, що кожна нога піднімається, згинаючи кісточку і коліно, а потім стегно покриває кут 45 градусів у бажаному напрямку. Коли всі ноги охоплюють такий кут, всі тазостегнові суглоби одночасно повертаються в початкове положення. Таким чином все тіло зміщується в потрібному напрямку. Робот може утворювати складні конструкції, як-то вигинатися у дугу, котитися, перекидатися та навіть підніматися сходами. Вчені запустили його побігати та виявили, що він долає в середньому 11 сантиметрів за один крок. Однак недоліком цього механізму є те, що для нього потрібен електропривід — від нього в майбутньому вчені планують позбутися.