Leonardo, dwunożny robot, potrafi jeździć na deskorolce i chodzić po linie

LEO tworzy nowy rodzaj ruchu gdzieś pomiędzy chodzeniem a lataniem

Naukowcy z California Institute of Technology zbudowali dwunożnego robota, który łączy chodzenie i latanie, aby stworzyć nowy rodzaj lokomocji, dzięki czemu jest wyjątkowo zwinny i zdolny do wykonywania złożonych ruchów.

Po części robot kroczący, po części dron, nowo opracowany LEONARDO (skrót od LEgs ONboard drOne lub w skrócie LEO) może chodzić po linie, skakać, a nawet jeździć na deskorolce. Opracowany przez zespół w Caltech Centrum Niezależnych Systemów i Technologii (CAST), LEO jest pierwszym robotem, który wykorzystuje wieloprzegubowe nogi i śmigła w celu uzyskania precyzyjnego stopnia kontroli nad jego równowagą.

Artykuł badawczy na temat robota LEO został opublikowany w Internecie 6 października i pojawił się na okładce Science Robotics w październiku 2021 roku.

„Zainspirowała nas natura. Pomyśl o tym, jak ptaki mogą trzepotać i skakać, aby poruszać się po liniach telefonicznych” wkrótce jo chung, autor korespondencyjny i profesor Bren Space, Control and Dynamical Systems. „Złożone, ale interesujące zachowanie występuje, gdy ptaki przemieszczają się między chodzeniem a lataniem. Chcieliśmy to zrozumieć i wyciągnąć z tego naukę”.

„Istnieje analogia między tym, w jaki sposób człowiek w kombinezonie odrzutowym kontroluje swoje nogi i stopy podczas lądowania lub startu, a tym, jak LEO wykorzystuje synchroniczną kontrolę nad rozłożonymi pędnikami i stawami nóg w oparciu o śmigła” – dodaje Chung. „Chcieliśmy zbadać interfejs typu walk-fly z perspektywy dynamiki i kontroli”.

Roboty dwunożne są w stanie poradzić sobie ze złożonym, rzeczywistym terenem za pomocą tych samych ruchów, których używają ludzie, takich jak skakanie, bieganie, a nawet wchodzenie po schodach, ale utrudnia je trudny teren. Latające roboty z łatwością pokonują trudny teren, po prostu unikając ziemi, ale napotykają na własne ograniczenia: wysokie zużycie energii w locie i ograniczona ładowność. „Roboty z multimodalną lokomocją są w stanie poruszać się w trudnych środowiskach skuteczniej niż roboty konwencjonalne, odpowiednio przełączając się między dostępnymi środkami lokomocji. W szczególności LEO ma na celu wypełnienie luki między dwiema rozbieżnymi domenami nawigacji powietrznej i pieszej, których nie zwykle przeplatają się z obecnymi systemami robotycznymi” – mówi Kyunnam Kim, badacz z tytułem doktora w Caltech i współautor artykułu Robotics Science.

Wykorzystując hybrydową lokomocję, która znajduje się gdzieś pomiędzy chodzeniem a lataniem, naukowcy czerpią to, co najlepsze z obu światów pod względem lokomocji. Lekkie nogi LEO odciążają stery, podtrzymując większość ciężaru, ale ponieważ stery są sterowane synchronicznie ze stawami nóg, LEO ma nadludzką równowagę.

„W zależności od rodzaju przeszkód, które musisz pokonać, LEO może wybrać albo chodzić, albo latać, albo kombinację tych dwóch, w zależności od potrzeb. Ponadto LEO jest w stanie wykonywać niezwykłe manewry kinematyczne, które nawet u ludzi wymagają opanowania Równowaga, jak chodzenie po linie i jazda na deskorolce”, mówi Patrick Spiller, współautor artykułu w Science Robotics i były członek grupy Chunga, który obecnie pracuje z Jet Propulsion Laboratory, prowadzonym przez Caltech dla NASA.

LEO ma wysokość 2,5 stopy i jest wyposażony w dwustopowy pędnik z trzema zawiasami, wraz z czterema pędnikami zamontowanymi pod kątem na ramionach robota. Kiedy człowiek chodzi, dostosowuje pozycję i kierunek swoich nóg, aby jego środek masy przesuwał się do przodu, jednocześnie utrzymując równowagę ciała. LEO również porusza się w ten sposób: śmigła zapewniają, że robot znajduje się w pozycji pionowej podczas ruchu, a siłowniki nóg zmieniają położenie nóg, aby przesunąć środek masy robota do przodu za pomocą zsynchronizowanego kontrolera typu „walk-and-fly”. W locie robot sam używa swoich śmigieł i lata jak drony.

„Dzięki śmigłom LEO można ściskać lub naciskać bardzo mocno, nie uderzając w robota”, mówi Elena-Sorina Lupu (MS ’21), absolwentka Caltech i współautorka artykułu Science Robotics. Projekt LEO rozpoczął się latem 2019 roku z autorami artykułu Science Robotics i trzema studentami Caltech, którzy uczestniczyli w projekcie w ramach stypendium Summer Undergraduate Research Fellowship Instytutu (fale) program.

Następnie zespół planuje poprawić wydajność LEO poprzez stworzenie sztywniejszej konstrukcji trzpienia, zdolnej do utrzymania większej masy robota i zwiększenia ciągu śmigieł. Ponadto mają nadzieję, że LEO będzie bardziej autonomiczny, aby robot mógł zrozumieć, jak bardzo jego ciężar jest podtrzymywany przez nogi, a ile musi podtrzymywać śmigła podczas poruszania się po nierównym terenie.

Naukowcy planują również wyposażyć LEO w nowo opracowany pojazd Algorytm kontroli lądowania drona wykorzystujący głębokie sieci neuronowe. Dzięki lepszemu zrozumieniu środowiska firma LEO może podejmować własne decyzje dotyczące najlepszej kombinacji chodzenia, lotu lub ruchu hybrydowego, która umożliwia przemieszczanie się z jednego miejsca do drugiego w oparciu o to, co jest bezpieczniejsze i co zużywa najmniej energii.

Obecnie LEO wykorzystuje śmigła do balansowania podczas chodzenia, co oznacza, że ​​zużywa energię nieco nieefektywnie. Planujemy ulepszyć konstrukcję nóg, aby LEO mógł chodzić i był zrównoważony przy minimalnym wsparciu śmigła” – mówi Lupu, który będzie kontynuował pracę nad LEO podczas programu doktoranckiego.

W prawdziwym świecie technologia zaprojektowana dla firmy LEO mogłaby promować rozwój adaptacyjnych systemów podwozia składających się z kontrolowanych przegubów nóg dla robotów latających i innych typów pojazdów latających. Zespół przewiduje, że przyszłe wirniki Marsa mogą być wyposażone w podwozie na nogach, aby roboty powietrzne mogły utrzymać równowagę podczas lądowania na pochyłym lub nierównym terenie, zmniejszając ryzyko awarii w trudnych warunkach lądowania.

Artykuł nosi tytuł „Dwunożny robot, który potrafi latać, skakać po linie i jeździć na deskorolce”. Wśród współautorów jest również Alireza Ramzani, była badaczka podoktorancka w Caltech, a obecnie adiunkt na Northeastern University. Badania te były wspierane przez Caltech Gary Clinard Innovation Fund oraz Caltech Center for Independent Systems and Technologies.