Четыре

Университет Карнеги-Меллон, Питтсбург, Пенсильвания

Исследователи из Института робототехники (RI) Университета Карнеги-Меллона разработали систему, которая делает стандартного четвероногого робота достаточно проворным, чтобы ходить по узкому бревну — подвиг, который, вероятно, является первым в своем роде.

«Этот эксперимент был огромным», — сказал Закари Манчестер, доцент РИ и глава лаборатории роботизированных исследований. «Я не думаю, что кто-то когда-либо успешно ходил на бревне с роботом».

Используя аппаратное обеспечение, часто используемое для управления спутниками в космосе, Манчестер и его команда компенсировали существующие ограничения в конструкции четвероногого, чтобы улучшить его балансировочные возможности.

Стандартные элементы большинства современных четвероногих роботов включают туловище и четыре ноги, каждая из которых заканчивается закругленной ступней, что позволяет роботу перемещаться по простым плоским поверхностям и даже подниматься по лестнице. Их конструкция напоминает четвероногое животное, но в отличие от гепардов, которые могут использовать хвост для управления резкими поворотами или падающих кошек, корректирующих ориентацию в воздухе с помощью гибких позвоночника, четвероногие роботы не обладают такой инстинктивной ловкостью.

Пока три ноги робота остаются в контакте с землей, он может избежать опрокидывания. Но если на земле стоит только одна или две ноги, робот не сможет легко корректировать помехи и имеет гораздо более высокий риск падения. Отсутствие равновесия делает ходьбу по пересеченной местности особенно трудной.

«При нынешних методах управления тело и ноги четвероногого робота разделены и не взаимодействуют друг с другом, чтобы координировать свои движения», — сказал Манчестер.

«Так как же мы можем улучшить их баланс?»

В решении команды используется система привода реактивного колеса (RWA), которая крепится к задней части четвероногого робота. С помощью новой техники управления RWA позволяет роботу балансировать независимо от положения его ног.

RWA широко используются в аэрокосмической промышленности для управления ориентацией спутников путем управления угловым моментом космического корабля.

«По сути, у вас есть большой маховик с прикрепленным к нему двигателем», — сказал Манчестер, который работал над проектом вместе с аспирантом RI Чи-Йен Ли и аспирантами машиностроения Шуо Яном и Бенджамином Боксором. «Если вы повернете тяжелый маховик в одну сторону, спутник закрутится в другую сторону. А теперь возьми это и помести на тело четвероногого робота».

Команда разработала прототип своего подхода, установив два RWA на коммерческом роботе Unitree A1 — один на оси тангажа и один на оси крена — чтобы обеспечить контроль над угловым моментом робота. При использовании RWA не имеет значения, соприкасаются ноги робота с землей или нет, поскольку RWA обеспечивают независимый контроль ориентации тела.

Манчестер сказал, что было легко изменить существующую систему управления для учета RWA, поскольку оборудование не меняет распределение массы робота и не имеет таких общих ограничений, как хвост или позвоночник. Без необходимости учитывать такие ограничения аппаратное обеспечение можно смоделировать как гиростат (идеализированную модель космического корабля) и интегрировать в стандартный алгоритм управления с прогнозированием модели.

Команда протестировала свою систему с помощью серии успешных экспериментов, которые продемонстрировали улучшенную способность робота восстанавливаться после внезапных ударов. В ходе моделирования они имитировали классическую проблему падающего кота, роняя робота вверх ногами почти с полуметра, при этом RWA позволяли роботу переориентироваться в воздухе и приземляться на ноги. Что касается аппаратного обеспечения, они продемонстрировали способность робота восстанавливаться после возмущений, а также способность системы балансировать с помощью эксперимента, в котором робот шел по балансиру шириной 6 сантиметров.

Манчестер прогнозирует, что четвероногие роботы вскоре превратятся из исследовательских платформ в лабораториях в широко доступные продукты для коммерческого использования, подобно тому, как это было с дронами около 10 лет назад. А если продолжить работу по улучшению стабилизирующих способностей четвероногих роботов, чтобы они соответствовали инстинктивным четвероногим животным, вдохновившим их на создание, их можно будет использовать в таких важных сценариях, как поисково-спасательные операции в будущем.