Похожий на морского ежа робот потолкал коробку. У него 20 ног

Американские инженеры разработали робота Argus с 20 ногами, который может одинаково эффективно перемещаться в любом направлении. Сферическая форма и радиальное расположение раздвижных ног позволяют ему сохранять устойчивость при сильных толчках и двигаться даже при поломке нескольких конечностей, а благодаря встроенным в каждую ногу камерам, робот имеет всенаправленное зрение. Кроме этого, Argus может двигаться по бездорожью, переносить на себе грузы и толкать объекты. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

У большинства роботов есть приоритетные для движения направления. Например, робособака отлично приспособлена для бега вперед, но испытывает трудности при необходимости резко повернуть вбок — смена направления движения требует разворота всего корпуса, на что требуются время и энергия. Для устранения этого недостатка инженеры начали изучать более симметричные конструкции роботов. Например, тенсегрити-роботы, которые состоят из стержней и тросов, могут двигаться во всех направлениях, но они медлительны и требуют сложных алгоритмов для поддержания баланса. Кроме того, несмотря на их визуальную симметричность, эффективность их движения зависит от текущего положения относительно земли, что приводит к неравномерной динамике.

Инженеры под руководством Боюаня Чэна (Boyuan Chen) из Университета Дьюка предположили, что для достижения всенаправленной маневренности робот, помимо геометрической симметрии, должен обладать также способностью развивать усилия во всех направлениях. Разработчики ввели математический показатель динамической изотропии, который оценивает способность робота одинаково эффективно ускорять свой центр масс в любую сторону. Для проверки гипотезы они смоделировали более тысячи вариантов конфигурации робота с радиально направленными ногами. Количество ног в виртуальных моделях варьировалось от шести до сорока. Увеличение количества ног приводило к снижению ошибки при движении по заданной траектории и падению энергозатрат. Оказалось, что максимальный прирост характеристик наблюдается в диапазоне от 16 до 22 конечностей. Исследователи выбрали для постройки вариант с 20 конечностями.

Прототип робота, получивший название Argus, имеет форму додекаэдра с расположенными в его вершинах ногами. Каждая из них направлена радиально и имеет линейный актуатор с тросовым приводом, который позволяет конечности вытягиваться в длину. Масса конструкции составляет около двадцати трех килограмм, а диаметр с полностью вытянутыми ногами около 140 сантиметров. Центральная часть вмещает вычислительный блок, инерциальные датчики и пару литий-полимерных аккумуляторов. На конце каждой из 20 ног установлены ToF-сенсоры, благодаря чему робот имеет полный всенаправленный обзор пространства вокруг, независимо от того, какой стороной он повернут к земле. Алгоритм управления непрерывно получает данные о препятствиях и автоматически перераспределяет нагрузку между опорными точками. Перенос обученной в симуляторе политики на реальное устройство потребовал лишь минимальной калибровки.

Во время испытаний Argus уверенно перекатывался со скоростью более одного метра в секунду. Робот может перемещаться по ровному полу, густой траве, песку, грязи и камням. А самое главное — быстро менять направление движения под прямым углом, не тратя время на поворот корпуса. Система также показала высокую устойчивость к сильным боковым толчкам. Для сохранения равновесия робот автоматически вытягивает конечности в сторону, противоположную направлению удара. Кроме этого, Argus может нести закрепленный на корпусе груз массой 4,5 килограмма почти без потери скорости и толкать перед собой объекты, отслеживая их положение и корректируя направление движения на ходу.

В тестах на отказоустойчивость инженеры отключали от одной до трех ног прямо во время движения. Робот компенсировал потерю опор за счет переориентации корпуса и использования соседних «здоровых» приводов, продолжая катиться вперед. Кроме того, робот научился карабкаться вверх между двумя параллельными стенами — для этого он поочередно упирается в них противоположными ногами. Правда, необходимо отметить, что при этом к роботу через систему блоков прикреплялся противовес массой около 20 килограмм. По словам авторов, таким образом они имитировали лунную гравитацию, а в будущем подобные устройства смогут эффективно применяться для исследования других планет, где риск опрокидывания или поломки критически высок.

Карабкаться между двумя стенами могут и четвероногие роботы. Недавно японские инженеры показали робособаку KLEIYN, которая умеет выполнять такой трюк. В ее корпусе находится дополнительный активный сустав, который выполняет роль позвоночника и позволяет лучше упираться ногами в стены, адаптируя длину тела под ширину зазора.

Источник