Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега. И увеличили высоту прыжка

Китайские инженеры разработали прототип двуногого робота KOU-III, который для поддержания равновесия во время передвижения использует вспомогательную систему из четырех воздушных винтов. Робот не может летать — вместо этого он использует винты для поддержания стабильности и улучшения динамических характеристик во время ходьбы, прыжков и стояния на месте. Конструкция робота описана в препринте на платформе SSRN.

Исследования в области робототехники в основном сосредоточены на двух основных направлениях: наземные и летающие роботы. Однако встречаются и необычные гибридные решения, объединяющие в себе возможности тех и других. Один из таких проектов — гибридный робот LEONARDO, разработанный в 2019 году в Калифорнийском технологическом институте. Он представляет собой двуногого робота, совмещенного с квадрокоптером. Благодаря закрепленным на корпусе четырем пропеллерам LEONARDO способен в случае необходимости облетать препятствия по воздуху.

Группа инженеров под руководством И Биня Ли (Yibin Li) из Шаньдунского университета создала похожего двуногого робота под названием KOU-III. На его корпусе тоже имеется четыре воздушных винта, напоминающих по расположению квадрокоптер, но, в отличие от LEONARDO, этот робот не может летать. Пропеллеры он использует только для помощи во время движения. Более того, они имеют ограниченную мощность, недостаточную для полноценного полета. Главная задача воздушных винтов — создавать дополнительную тягу, чтобы компенсировать нежелательные моменты силы при ходьбе, снижать нагрузку на ноги и помогать в прыжках. Это позволяет роботу быстрее передвигаться и сохранять равновесие в неустойчивых положениях.

Общая масса KOU-III — около трех килограммов. Его торс выполнен из углеродных композитных пластин, а ноги состоят из бедра и голени с точечной стопой и имеют выгнутый в обратную сторону коленный сустав, приводимый в движение электромотором в бедре. На торсе располагаются четыре балки, на концах которых закреплены роторы. Электронная система KOU-III включает источник питания, контроллер и сенсоры: встроенный инерциальный измерительный модуль (IMU) и датчики усилия в стопах для регистрации контакта с поверхностью.

Для управления движением используется довольно простая стратегия: в качестве целевых параметров устанавливаются шесть степеней свободы корпуса робота (положение и скорость по трем координатам), а затем с помощью простого пропорционально-дифференциального регулятора вычисляются требуемые управляющие воздействия на ноги, и моменты, создаваемые роторами. Силы, действующие на ноги робота, используются для контроля его положения, в то время как крутящий момент от роторов используется для управления смещением вперед-назад и влево-вправо.

В ходе экспериментов инженеры проверили, как робот ведет себя в трех состояниях: стоя на месте, во время ходьбы и в прыжках. Для проверки устойчивости в положении стоя был проведен эксперимент, в котором к роботу прикладывались внешние возмущения. В определенные моменты времени к задней или боковой части робота прикладывалась направленная вниз тяга, которая заставляла робота отклоняться из положения равновесия вперед или вбок. Робот быстро восстанавливал устойчивость, при этом восстановление исходного угла наклона с помощью ног происходила чуть быстрее, чем реакция на смещение центра масс, которое компенсировалось с помощью роторов, имеющих большее время отклика, необходимое на раскручивание.

Во время ходьбы сравнивались данные о положении и скорости робота с включенной и выключенной системой роторов. Оказалось, что без помощи роторов робот способен ходить нормально, однако его положение и скорость значительно колеблются. В частности, угол крена колеблется в диапазоне от —5 до 5 градусов, а скорость движения вперед изменяется от —0,3 до 0,4 метров в секунду. При действующих роторах эти колебания уменьшались: угол тангажа изменялся от −3 до 1 градуса, а скорость движения — от —0,04 метров секунду до 0,06 метров секунду. Без помощи роторов робот развил максимальную скорость 0,79 метров в секунду, после чего упал. В то же время действующие роторы помогли развить максимальную скорость ходьбы до 1,1 метров в секунду и при этом сохранить устойчивость. В эксперименте на максимальную высоту прыжка робот подпрыгнул на 35,2 сантиметра, при собственном росте 32 сантиметра. Кроме того, помощь винтов помогает стабилизировать робота во время фазы падения, позволяя ему сохранить равновесие после касания земли.

Инженеры из Гонконга тоже использовали небольшой квадрокоптер при создании гибридного робота — это одноногий робот-прыгун Hopcopter. В отличие от прыгающих роботов с актуаторами в ногах, срабатывание которых происходит, пока робот находится на земле, Hopcopter приводится в движение пропеллерами во время воздушной фазы прыжка. Во время испытаний робот показал рекордную вертикальную скорость и высоту прыжка.

Источник