Мини-гепард – новый робот Массачусетского технологического института – пружинист и легок на ногах. Диапазон его движений сопоставим с возможностями гимнаста. Робот также может перемещаться по неровной поверхности со скоростью, вдвое превышающей скорость пешехода.

При весе всего в 20 фунтов четвероногая конструкция, будучи сброшенной на землю с некоторой высоты, может быстро выровнять себя ловкими движениями, как будто мастер кунг-фу.

Исследователи утверждают, что мини-гепард спроектирован так, чтобы быть «практически неразрушимым», чтобы он мог восстанавливаться без серьезных повреждений, даже если сальто заканчивается крушением.

Для быстрого восстановления в случае поломки конечности или мотора, мини-гепард спроектирован по принципу модульности: каждая ножка робота приводится в действие тремя унифицированными недорогими электродвигателями, спроектированными с использованием готовых деталей. Каждый мотор можно легко заменить на новый.

«Вы можете соединить эти детали, почти как в Lego», – говорит ведущий разработчик Бенджамин Кац, технический сотрудник отдела машиностроения МТИ.

 

 

 

Исследователи представят дизайн мини-гепарда на Международной конференции по робототехнике и автоматизации, которая состоится в мае. В настоящее время они строят еще четыре машины с четырьмя конечностями, стремясь получить набор из 10 штук, каждую из которых они надеются одолжить другим лабораториям.

«Главное, для чего мы создали этого робота, заключается в том, что с ним очень легко экспериментировать и проделывать сумасшедшие вещи, ввиду того, что робот очень надежен и его не просто сломать, а если он ломается, это легко и не очень дорого исправить», - говорит Кац, который работал над роботом в лаборатории Сангбае Кима, доцента по машиностроению.

По словам Кима, одалживание мини-гепардов другим исследовательским группам дает инженерам возможность протестировать новые алгоритмы и маневры на высокодинамичном роботе, к которому у них иначе не было бы доступа.

«В конце концов, я надеюсь, что мы могли бы провести гонку четвероногих роботов по полосе препятствий, где каждая команда контролирует мини-гепарда с различными алгоритмами, и мы можем видеть, какая стратегия более эффективна», - говорит Ким. 

Мини-гепард - это больше, чем просто миниатюрная версия своего предшественника, Гепарда 3, большого, тяжелого, грозного робота, которого часто приходилось стабилизировать с помощью тросов, чтобы защитить свои дорогие, изготовленные на заказ детали.

«В Cheetah 3 все чрезвычайно интегрировано, поэтому, для того, чтобы что-то изменить, приходилось совершать массу переделок – говорит Кац – тогда как с мини-гепардом, если вы хотите добавить еще одну конечность, вы можете просто добавить еще три или четыре из этих модульных двигателей».

Кац придумал конструкцию электродвигателя, перенастроив детали на небольшие коммерчески доступные моторы, обычно используемые в беспилотных летательных аппаратах и самолетах с дистанционным управлением.

Каждый из 12 двигателей робота имеет размер крышки банки Мейсона и состоит из: статора или набора катушек, которые генерируют вращающееся магнитное поле; маленький контроллер, который передает величину тока, который должен генерировать статор; ротор с магнитами, который вращается вместе с полем статора, создавая крутящий момент для подъема или вращения конечности; редуктор, который обеспечивает понижающую передачу 6/1, позволяя ротору в шесть раз, относительно обычного, превышать крутящий момент; и датчик положения, который измеряет угол и ориентацию двигателя и связанной с ним конечности.

Каждая нога приводится в действие тремя двигателями, чтобы дать ей три степени свободы и огромный диапазон движения. Облегченная конструкция с высоким крутящим моментом и малой инерцией позволяет роботу выполнять быстрые динамические маневры и сильно топать по земле, не ломая редукторы или конечности.

Скорость, с которой он может изменять давление стопы на землю, очень высока. «Когда он бежит, его ноги находятся на земле примерно 150 миллисекунд за раз, в течение которых компьютер говорит ему увеличить усилие на ногу, затем изменить его на баланс, а затем действительно быстро уменьшить это усилие для подъема стопы вверх. Так что он может делать действительно динамичные вещи, например, прыгать в воздухе с каждым шагом или бегать двумя ногами по земле за раз. Большинство роботов не способны на это, поэтому двигаются гораздо медленнее».

Инженеры испытали мини-гепарда посредством ряда маневров, сначала проверив его способность бегать по коридорам лаборатории Паппалардо в Массачусетском технологическом институте и по слегка неровной поверхности двора.

В обеих средах четвероногий скачет со скоростью около 5 миль в час. Шарниры робота способны вращаться в три раза быстрее, с удвоенным крутящим моментом, и, по оценкам Каца, робот может работать примерно в два раза быстрее при небольшой настройке.

Команда написала еще один компьютерный код, чтобы заставить робота растягиваться и крутиться в различных, похожих на йогу конфигурациях, демонстрируя диапазон его движений и способность вращать конечности и суставы, сохраняя равновесие. Они также запрограммировали робота на восстановление от неожиданного воздействия, такого как удар в сторону. Когда исследователи пнули робота на землю, он автоматически отключился.

«Предполагается, что что-то ужасное пошло не так, поэтому просто выключается, и все ноги летят куда угодно», - говорит Кац.

Когда он получает сигнал о перезапуске, робот сначала определяет свою ориентацию, затем выполняет предварительно запрограммированный маневр приседания или упирания локтем, направляя себя на четвереньки.

Кац и соавтор Джаред Ди Карло, студентка факультета электротехники и компьютерных наук (EECS), задались вопросом, может ли робот выполнять еще более эффективные маневры. Вдохновленные уроком, который в прошлом году преподавал профессор EECS Расс Тедрейк, они приступили к программированию мини-гепарда для выполнения сальто назад.

«Мы решили, что это будет хороший тест производительности робота, так как он требует большой мощности, крутящего момента, и в конце броска происходят ощутимые сотрясения», - говорит Кац.

Команда написала «гигантскую, нелинейную, автономную оптимизацию траектории», которая включала в себя динамику и возможности привода робота, и определила траекторию, в которой робот начал бы движение в определенной ориентации, направленной вверх, и в итоге перевернулся на 360 градусов. При этом, разработанная ими программа решала все моменты затяжки, которые необходимо было приложить к каждому соединению, от каждого отдельного двигателя и в каждый период времени между началом и концом, чтобы выполнить откат назад.

«Когда мы впервые это попробовали, это чудесным образом сработало», - говорит Кац.

Команда строит еще около 10 мини-гепардов, каждого из которых они планируют отдать в аренду сотрудничающим группам, и Ким намеревается создать мини-исследовательский консорциум мини-гепардов, который сможет изобретать, обмениваться и даже конкурировать с новыми идеями.

Тем временем команда МТИ разрабатывает еще один, еще более эффективный маневр.

«Сейчас мы работаем над контроллером посадки, идея в том, что я хочу иметь возможность взять робота и бросить его, и просто посадить на ноги», - говорит Кац. «Скажем, вы захотели бросить робота в окно здания и попросить его осмотреть здание. И чтобы это было возможно осуществить».

 

Источник: MIT News