Исследователи из Калифорнийского технологического института создали двуногого робота, сочетающего ходьбу с полетом, что делает его исключительно подвижным и способным к сложным движениям.

         Отчасти шагающий робот, отчасти летающий дрон, недавно разработанный LEONARDO (сокращенно от Legs ONboARD drOne или сокращенно LEO) может ходить по леску, прыгать и даже кататься на скейтборде. Разработанный командой Центра автономных систем и технологий (CAST) Калифорнийского технологического института , LEO является первым роботом, который использует многосуставные опоры и двигатели на основе пропеллера для достижения точной степени контроля над балансом.

         Статья о роботе LEO была опубликована в Интернете 6 октября и фигурировала на обложке журнала Science Robotics за октябрь 2021 года.

         «Мы черпали вдохновение в природе. Подумайте о том, как птицы могут хлопать крыльями и прыгать, чтобы перемещаться по телефонным линиям», - говорит Сун-Джо Чанг, автор-корреспондент и профессор по аэрокосмическим и динамическим системам. «Когда птицы перемещаются между ходьбой и полетом, происходит сложное, но интригующее поведение. Мы хотели понять это и извлечь из этого уроки. Существует сходство между тем, как человек в реактивном костюме управляет своими ногами и ступнями при приземлении или взлете, и тем, как LEO использует синхронизированное управление распределенными двигателями на основе пропеллера и суставами ног. Мы хотели изучить взаимодействие ходьбы и полета с точки зрения динамики и контроля».

         Двуногие роботы способны преодолевать сложные ландшафты реального мира, используя те же движения, что и люди, например, прыжки, бег или даже подъем по лестнице, но они сталкиваются с проблемами на пересеченной местности. Летающие роботы легко перемещаются по пересеченной местности, просто избегая земли, но они сталкиваются со своим набором ограничений: высоким потреблением энергии во время полета и ограниченной полезной нагрузкой. «Роботы со способностью к мультимодальному перемещению могут перемещаться в сложных условиях более эффективно, чем традиционные роботы, за счет надлежащего переключения между доступными им средствами передвижения. В частности, LEO стремится преодолеть разрыв между двумя несопоставимыми областями воздушного и двуногого передвижения, которые обычно не вплетаются в существующие робототехнические системы ", - говорит Кьюнам Ким, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и соавтор исследования о робототехнике.

Видео Veritasium о LEONARDO:

         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 его двигателей, поддерживая большую часть веса, но поскольку двигатели управляются синхронно с суставами ног, LEO обладает невероятным балансом.

         «В зависимости от типов препятствий, которые ему необходимо преодолеть, LEO может выбрать либо ходьбу, либо полет, либо их сочетание по мере необходимости. Кроме того, LEO способен выполнять необычные маневры передвижения, которые даже у людей требуют мастерства равновесия, например как ходьба по канатной дороге и катание на скейтборде», - говорит Патрик Шпилер, со-ведущий автор статьи о научной робототехнике 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 опорами с тремя задействованными шарнирами, а также четырьмя пропеллерными двигателями, установленными под углом к плечам робота. Когда человек двигается, он регулирует положение и ориентацию своих ног, чтобы центр масс смещался вперед, в то время как равновесие тела сохраняется. LEO идет таким же образом: пропеллеры обеспечивают вертикальное положение робота во время ходьбы, а приводы ног изменяют положение ног, чтобы перемещать центр масс робота вперед с помощью синхронизированного контроллера ходьбы и полета. В полете робот использует только пропеллеры и летает как дрон.

         «Благодаря пропеллерам вы можете толкать или толкать LEO с большой силой, не опрокидывая робота», - говорит Елена-Сорина Лупу, аспирантка Калифорнийского технологического института и соавтор статьи по  научной робототехнике. Проект LEO был начат летом 2019 года при участии авторов статьи о научной робототехнике и трех студентов Калифорнийского технологического института, которые участвовали в проекте в рамках программы летней исследовательской стипендии для студентов-бакалавров.

         В будущем команда планирует улучшить характеристики LEO, создав более жесткую конструкцию ног, которая способна выдержать большую часть веса робота и увеличить силу тяги гребных винтов. Кроме того, они надеются увеличить автономность LEO, чтобы робот мог понимать, какая часть его веса поддерживается ногами, а какая - пропеллерами при ходьбе по неровной местности.

         Исследователи также планируют оснастить LEO недавно разработанным алгоритмом управления посадкой дронов, который использует глубокие нейронные сети. Обладая более глубоким пониманием окружающей среды, LEO сможет принимать собственные решения относительно наилучшего сочетания ходьбы, полета или гибридного движения, которое он должен использовать для перемещения из одного места в другое, исходя из того, что является наиболее безопасным и потребляет наименьшее количество энергии.

         «Прямо сейчас LEO использует пропеллеры для балансировки во время ходьбы, что означает, что энергия расходуется довольно неэффективно. Мы планируем улучшить конструкцию ног, чтобы заставить LEO ходить и балансировать с минимальной помощью пропеллеров», - говорит Елена-Сорина Лупу, которая продолжит работу над LEO на протяжении ее докторской программы.

         В реальном мире данная технология сможет способствовать разработке систем адаптивного шасси, состоящих из управляемых суставов ног для воздушных роботов и других типов летательных аппаратов. Команда предполагает, что будущий винтокрылый аппарат Mars может быть оснащен шасси с опорой на ногах, чтобы можно было поддерживать баланс тела этих воздушных роботов при приземлении на наклонной или неровной местности, тем самым снижая риск отказа при сложных условиях посадки.