Американські інженери створили метрового робота на ім'я Лео, який ходить на двох ногах за підтримки чотирьох пропелерів на плечах. Вони підтримують робота у прямому положенні, допомагають балансувати на мотузці та кататися на скейтборді, а також долати провалля і сходи, перелітаючи їх. Така конструкція допомогла роботу встояти перед вітром і поштовхами вчених, які планують відправляти його на інспекцію мостів та ліній електропередач замість людей. Робота вчених та сам Лео потрапили на обкладинку Science Robotics.
Лео долає сходи Kyunam Kim et al. / Science Robotics, 2021
Навіщо двоногому пропелери?
Двоногі роботи є найпопулярнішими серед інженерів, адже фізика біпедального руху вже добре вивчена, а самі вони не вимагають складних конструкцій та прості у створенні. Вони людиноподібні і можуть виконувати дії при ходьбі, на бігу та у стрибках. Тим паче, що змусити рухатися дві ноги легше за чотири або більше, враховуючи, що рух потрібно координувати і бажано так, щоб робот вмів плестися своїми двома автономно. Тому двоногі успішно пробігають по п'ять кілометрів менш ніж за годину та поступово вчаться балансувати на не надто стійких поверхнях. Іноді їхні труднощі із пересуванням робототехніки пропонують кардинально обходити — перелітати. Так роботи вже цілком успішно справляються з польотами — дрони поступово налагоджують свої навігаційні здібності, вчаться долати перешкоди, носити вантажі та навіть ловити пацюків. Однак, небагато роботів здатні і на те, і на інше одночасно. Безпечному пересуванню наземних роботів перешкоджають несприятливі поверхні (болота, пісок, галька) та різноманітні перешкоди, а здатних до польоту обмежують велике споживання енергії, короткий час польоту і роботи, а також обмежена вага корисного навантаження, яке вони можуть на себе взяти. Більш того, повітряним роботам важче, ніж наземним роботам фізично взаємодіяти з навколишнім середовищем або іншими роботами, адже їм необхідно ще і стабілізуватися в повітрі. Тож повітряні роботи в основному припускають мінімальні фізичні взаємодії і більше стежать за середовищем з висоти за допомогою камер, а наземні впевнено почуваються лише у добре структурованих середовищах.
Тому на арені поступово з'являються гібридні роботи, які мають кілька режимів пересування та вміють між ними перемикатися. Це і від банального перевзування, щоб обходити перешкоди і «на ногах», і об’їжджати їх колесами, до коптерів, що вміють сідати на воду та випускати пливучих роботів. Деякі конструкції гібридних роботів дозволяють здійснювати вражаючі маневри пересування. Втім, їхня реалізація все ще залишається складною задачею, адже тепер проєктування механічної частини, створення систем управління, виробництво і експерименти необхідні двом різним механізмам з різними функціями. У своїй новій роботі інженери з Каліфорнійського технологічного інституту у спробах подолати розрив між повітряними і наземними роботами представили робота LEONARDO або просто Лео, що є абревіатурою від «ноги на дошці з дроном» (LEgs ONboARD drOne). Він ходить на двох ногах, стрибає і літає, а також може балансувати на натягнутій мотузці і навіть на скейтборді, щоб потім працювати у неструктурованих та динамічних середовищах.
Лео балансує на мотузці. Kyunam Kim et al. / Science Robotics, 2021
Як виглядає Лео?
Лео важить 2,58 кілограма і в повний зріст досягає 75 сантиметрів. Він складається з трьох основних підсистем, а саме, тулуба, пропелерної рухової установки і двох ніг з точковими опорами. З ними він може автономно рухатися зі швидкістю до 20 сантиметрів на секунду. Ноги Лео спроектовані так, щоб момент інерції був мінімальним, що дозволяє швидко ходити і зменшувати тягу гвинта, необхідну для польоту. Для цього в конструкції ніг використовуються труби з вуглецевого волокна і тривимірні нейлонові шарніри. Обидві ноги симетричні, і на кожній є три серводвигуна: в області таза, а також спереду і ззаду стегна. Вони призводять Лео у рух, регулюють йому довжину ніг і розвертають їх. На кінці кожної ноги є півсфера-п'ята з поліуретанової гуми, яка дозволяє йому визначати, коли відбувається контакт із землею під час нормальної ходьби і коли йому варто перемкнутися на політ. Ці п'яти допомагають йому балансувати і відключати пропелери, а також підніматися від землі для зльоту.
В плечах у Лео знаходяться чотири симетрично розташованих гвинта. Кожен односпрямований трилопатевий пропелер діаметром шість дюймів має фіксований крок, а їхня тяга регулюється швидкістю обертання. Їх він може використовувати для стабілізації і управління як при ходьбі, так і під час польоту. Осі обертання обрані так, щоб забезпечити створення моментів крену, тангажу і рискання як у додатньому, так і у від'ємному напрямку відносно центру мас. Робот безпосередньо взаємодіє з приводами ніг і контролером гребного двигуна, а також з інерціальним вимірювальним блоком, завдяки чому отримує інформацію про своє положення. Контролери наземного і повітряного пересування перемикаються залежно від виміряного стану контакту двох ніг.
Лео перестрибує між столами. Kyunam Kim et al. / Science Robotics, 2021
Що Лео вміє робити?
Завдяки такому обладнанню роботу піддаються всі типи пересування: ходьба по землі, катання на скейтборді, балансування мотузкою та, звісно, перелітання перешкод як-то прірва між столами чи сходи. Пропелери допомагають йому встояти перед вітром у 3,8 метра на секунду, а також маневрувати між перешкодами на тому ж скейтборді. До речі звичайний дрон за такої потужності аеродинамічної труби одразу відкинуло назад, а робот завдяки ногам встояв. Що катання на скейті, що балансування на мотузці вимагає тонкого налаштування двох механізмів пересування, адже той же скейтборд необхідно контролювати, повільно відхиляючись на дошці, а з мотузки можна легко впасти. Ці два експерименти показали, як добре Лео може орієнтуватися на «внутрішні відчуття», а саме на положення центру мас, щоб тримати рівновагу.
Лео долає перешкоди на скейті Kyunam Kim et al. / Science Robotics, 2021
Інженери розраховують, що Лео зможе замінити людей на небезпечній роботі. Наприклад, на великій висоті або у важкодоступних місцях. Це перевірка і ремонт високовольтних ліній, куди робочих іноді доставляють за допомогою гвинтокрилів, а Лео може потенційно знизити кількість смертельних випадків і вартість завдання. Ще одна хороша задача для Лео — це фарбування високих мостів. Йому легко вдається підтримувати рівновагу на слизькій поверхні, так що і огляд дахів будівель або труб заводів теж можна буде доручити роботу.
Це не перша спроба наділити робота пропелерами. Так нещодавно ми розповідали про 17-кілограмового людиноподібного робота, якого чотири вентилятори підняли у повітря на висоту у метр, хоча поки це радше схоже на стрибок.