Исследователи из Калифорнийского технологического института создали двуногого робота, который сочетает ходьбу с полетом, создавая новый тип передвижения, что делает его исключительно ловким и способным к сложным движениям.

Наполовину шагающий робот, наполовину летающий дрон, недавно разработанный ЛЕОНАРДО (сокращение от LEgs BOarDED drOne или сокращенно LEO) может ходить по слэклайну, прыгать и даже кататься на скейтборде. Разработанный командой Центра автономных систем и технологий Калифорнийского технологического института (CAST), LEO является первым роботом, который использует многосуставные ноги и движители на основе пропеллера для достижения высокой степени контроля над своим балансом.

Статья о роботе LEO была опубликована в Интернете 6 октября и была помещена на обложку журнала за октябрь 2021 года. Научная робототехника.

"Мы черпали вдохновение в природе. Подумайте о том, как птицы могут махать крыльями и прыгать, чтобы перемещаться по телефонным линиям", - говорит Сун-Джо Чунг, автор-корреспондент и профессор аэрокосмической отрасли, систем управления и динамических систем Bren. "Сложное, но интригующее поведение происходит, когда птицы переходят от ходьбы к полету. Мы хотели понять это и извлечь из этого урок".

"Существует сходство между тем, как человек, одетый в реактивный костюм, управляет своими ногами при посадке или взлете, и тем, как LEO использует синхронизированное управление распределенными двигателями на основе пропеллера и суставами ног", - добавляет Чанг. "Мы хотели изучить взаимодействие ходьбы и полета с точки зрения динамики и управления".

Двуногие роботы способны преодолевать сложные рельефы реального мира, используя те же движения, что и люди, например, прыжки, бег или даже подъем по лестнице, но пересеченная местность ставит их в тупик. Летающие роботы легко ориентируются на пересеченной местности, просто избегая земли, но они сталкиваются со своим собственным набором ограничений: высоким потреблением энергии во время полета и ограниченной грузоподъемностью. "Роботы со способностью к мультимодальной локомоции способны перемещаться в сложных условиях более эффективно, чем традиционные роботы, соответствующим образом переключаясь между доступными им средствами передвижения. В частности, LEO стремится преодолеть разрыв между двумя разрозненными областями воздушной и двуногой локомоции, которые обычно не переплетаются в существующих роботизированных системах", - говорит Кьюнам Ким, постдокторант Калифорнийского технологического института и один из ведущих авторов Научная робототехника бумага.

Используя гибридное движение, которое находится где-то между ходьбой и полетом, исследователи получают лучшее из обоих миров с точки зрения передвижения. Легкие ноги LEO снимают нагрузку с двигателей, поддерживая основную часть веса, но поскольку двигатели управляются синхронно с суставами ног, LEO обладает сверхъестественным балансом.

"В зависимости от типов препятствий, которые ему необходимо преодолеть, LEO может выбрать либо ходьбу, либо полет, либо смешать их по мере необходимости. Кроме того, ЛЕО способен выполнять необычные маневры передвижения, которые даже у людей требуют владения равновесием, например, ходить по слэклайну и кататься на скейтборде", - говорит Патрик Спилер, соавтор исследования. Научная робототехника бумага и бывший член группы Чанга, который в настоящее время работает в Лаборатории реактивного движения, которой управляет Калифорнийский технологический институт для НАСА.

LEO имеет высоту 2,5 фута и оснащен двумя ногами с тремя приводимыми в действие шарнирами, а также четырьмя пропеллерными двигателями, установленными под углом к плечам робота. Когда человек ходит, он регулирует положение и ориентацию своих ног, чтобы центр их масс перемещался вперед при сохранении равновесия тела. ЛЕО также ходит таким образом: пропеллеры обеспечивают вертикальное положение робота во время ходьбы, а приводы ног изменяют положение ног, перемещая центр масс робота вперед с помощью синхронизированного контроллера ходьбы и полета. В полете робот использует только свои пропеллеры и летит как беспилотник.

"Благодаря его пропеллерам вы можете ткнуть ЛЕО с большой силой, фактически не опрокидывая робота", - говорит Елена-Сорина Лупу (MS '21), аспирантка Калифорнийского технологического института и соавтор Научная робототехника бумага. Проект LEO был запущен летом 2019 года с авторами Научная робототехника статья и три студента Калифорнийского технологического института, которые участвовали в проекте в рамках летней программы исследовательских стипендий института (SURF).

Далее команда планирует улучшить характеристики LEO, создав более жесткую конструкцию ног, которая способна выдерживать большую часть веса робота и увеличивать силу тяги пропеллеров. Кроме того, они надеются сделать LEO более автономным, чтобы робот мог понимать, какая часть его веса приходится на ноги и какая часть должна поддерживаться пропеллерами при ходьбе по неровной местности.

Исследователи также планируют оснастить LEO недавно разработанным алгоритмом управления посадкой беспилотника, использующим глубокие нейронные сети. Обладая лучшим пониманием окружающей среды, LEO мог бы самостоятельно принимать решения о наилучшей комбинации ходьбы, полета или гибридного движения, которые он должен использовать для перемещения из одного места в другое, основываясь на том, что безопаснее и что потребляет наименьшее количество энергии.

"Прямо сейчас LEO использует пропеллеры, чтобы балансировать во время ходьбы, что означает, что он использует энергию довольно неэффективно. Мы планируем улучшить конструкцию ног, чтобы ЛЕО мог ходить и балансировать с минимальной помощью пропеллеров", - говорит Лупу, которая продолжит работать над ЛЕО на протяжении всей своей докторской программы.

В реальном мире технология, разработанная для LEO, могла бы способствовать разработке адаптивных систем шасси, состоящих из управляемых шарниров ног для воздушных роботов и других типов летательных аппаратов. Команда предполагает, что будущие винтокрылые аппараты Mars могут быть оснащены шасси на ножках, чтобы можно было поддерживать баланс тела этих воздушных роботов при посадке на наклонную или неровную местность, тем самым снижая риск отказа в сложных условиях посадки.

Статья называется "Двуногий шагающий робот, который может летать, кататься на слэклайне и скейтборде". Среди соавторов также Алиреза Рамезани, бывший аспирант Калифорнийского технологического института, а в настоящее время доцент Северо-Восточного университета. Это исследование было поддержано Инновационным фондом Гэри Клинарда из Калифорнийского технологического института и Центром автономных систем и технологий Калифорнийского технологического института.

Видео ЛЕО, робота-слэклайнера, катающегося на скейтборде: https://www.youtube.com/watch?v=DhpMlI8jb5o&t=5s