Технології
Технології

Змієподібний робот перетворився на чотириногого та спустився сходами

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.

IvLabs / YouTube

IvLabs / YouTube

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.