Морган Поуп, аспирант Лаборатории биомиметики и манипуляций в Стэнфордском университете, занимается исследованием роботов, которые могут передвигаться как по воздуху, так и по земле. Недавно инженер и его команда представили концепт нового необычного коптера, - передает Robotics.ua. По его словам, летающие квадрокоптеры имеют ограниченную выносливость из-за небольшой емкости аккумулятора, но приземление на вертикальную поверхность может позволить им работать в течение нескольких часов или даже дней, собирать ценные данные или выполнять коммуникационные задачи в неподвижном состоянии. Но посадка на вертикальную поверхность может быть сложной из-за конструкции самого аппарата. Добавление возможности подняться по стене позволит дрону изменить свое положение более точно с дополнительным преимуществом, если погода слишком ветряная для полета. Работая над проектом в лаборатории, ученые увидели возможность совместить опыт посадки и скалолазания с новым роботом, способным выполнять мультимодальные операции в неструктурированных уличных условиях. SCAMP - первый робот, способен совместить полет и посадку с технологией крепления и восхождения по вертикальной поверхности. Он также может оправиться от неудачного приземления и снова взлететь в любое время. Он делает все это на открытом воздухе с использованием только бортовых датчиков и вычислений, опираясь на уроки из предыдущих роботов-скалолазов, созданных в Стэнфорде. Альпинизм для роботов За последнее десятилетие ученые разработали серию роботов-скалолазов, которые используют самые разные способы удерживания на вертикальной поверхности. Микро-шипы, к примеру, используются для Spybot, чтобы эффективно подниматься по шероховатых поверхностях. Специальный клей для робота-ящерицы позволяет ему держаться на стекле. За ним последовали роботы StickyBot I, II, и III. Изменив понимание эффективного сцепления и альпинизма, инженеры смогли создать 9-граммового робота StickyBot, способного тянуть груз в 100 раз больше веса своего тела по вертикальной стене. Это стало возможным с помощью компактного, мощного сервопривода и знакопеременных нагрузок между двумя ногами, которые перемещаются на простых одномерных траекториях. Инженеры взяли эти уроки и повторно применили их в контексте с микро-шипами, чтобы создать механизм восхождения для нового робота SCAMP. Они использовали тот же компактный, мощный усилитель, и ту же стратегию передачи нагрузки между двумя конечностями. Но поскольку они искали маневренность вместо несущей способности, они создали более длинную длину хода (9 см / шаг вместо 1,2 см / шаг). Это также помогло добавить движение по таким поверхностям, как бетон и штукатурка, которые не являются плоскими и предсказуемыми, как оконное стекло. Конечный результат представляет собой механизм лазания, который использует один сервопривод и высокий крутящий момент для привода, чтобы совершать длинные шаги вверх по стене, а также один меньше сервопривод для приведения в действие движений по земле. Эти два сервопривода в сочетании с рамой из углеродного волокна и конечностями весят всего 11 грамм. По сути дела, команда взяла прототип 9-граммового робота-альпиниста, модифицировала его для большей скорости вместо нагрузочной способности. Также появился дополнительный усилитель для обработки двумерных профилей поверхности, микро-шипы и привязь к крошечному квадрокоптеру. Конструкция ног SCAMP напоминает конечности многих насекомых, и это не случайно. Насекомые хотят совершать длинные шаги, но ограничены тяжестью своих конечностей. Аллометрические законы подобия предусматривают длинные, тонкие, почти невесомые ноги, которые становятся предпочтительным решением. SCAMP имеет больше размер, чем насекомые, но при этом он достаточно мал. Ученые использовали современные инженерные материалы, как углеродное волокно и Spectra для создания ног, которые были бы такими же эффективными, что и у насекомых. Полет и посадка Хороший механизм лазания не является оптимальным для посадки. Поэтому инженеры должны были пересмотреть их подход к креплению робота к стене. Система крепления с захватом может противостоять нагрузке в любом направлении. В естественном мире животные используют аэродинамические силы на протяжении всего процесса посадки, и это подход, который ученые взяли для SCAMP. Они установили механизм восхождения SCAMP на верхушку квадрокоптера, так чтобы роторы могли направить робота к стене. Когда они объединили это с длинным хвостом, выступающим в качестве точки опоры, у них вышла система, которая была способна надежно продвигать себя на стене с помощью аэродинамических сил. Для ползания ученые направили хвост сначала к стене, пока не обнаружили воздействие с помощью бортовых акселерометров. Затем они повернули тягу ротора до максимума. Геометрия задачи в значительной степени гарантирует, что SCAMP будет в конечном итоге прижиматься к поверхности стены с низкой передачей. Роторы держат ноги SCAMP в контакте, пока не прекратятся колебания. Микро-шипы затем воздействуют на принцип скалолазания. Совокупность мультимодальных операций Перенастройка стратегии посадки является одним из примеров того, как совместить два существенно разных режима передвижения вместе с определенным количеством компромисса. Инженеры обнаружили, что эти компромиссы были компенсированы интересными новыми взаимодействиями между режимом полета и ползания. В то время как роторы SCAMP первоначально казались мертвым грузом, чтобы тянуть их вверх по стене, инженеры вскоре узнали, что они могли бы показать большую разницу с их передвижением вдоль поверхности. Когда SCAMP теряет свой контроль и начинает падать, он будет делать внезапное вертикальное ускорение и поворачивать свои роторы на короткое время. Это действие направляет его обратно на стену, чтобы он мог возобновить процесс поднятия. Известно, что даже нелетающие животные, например, муравьи в тропических лесах, могут использовать аэродинамические силы, чтобы оправиться от неудачного поднятия наверх. Роторы также могут быть использованы, чтобы помочь SCAMP уцепиться за стену. Одной из самых больших проблем восхождения по вертикальной поверхности является то, что центр массы робота неизбежно отходит от стены, а это значит, что ноги должны создать некоторую силу сцепления, чтобы уберечь робота от движения в обратном направлении. Тем не менее, можно компенсировать этот момент аэродинамически и сделать работу ног значительно легче. Животные по своей сути мультимодальные, и огромное их число от летяг до дятлов, чередуются между полетом, приземлением и карабканьем, чтобы оптимизировать свою стратегию передвижения. Сила полета и ползания Увеличенный срок проведения миссии является основной мотивацией ученых для работы над эффективной посадкой, поэтому они подключили к SCAMP специальный таймер, чтобы точно выяснить, сколько времени он может работать благодаря своей способности висеть на стене. Микропроцессор SCAMP потребляет больше чем 100 миллиампер, и это существенный минус, так как более эффективная модель может работать и потреблять в два раза меньше энергии, но электроника, которую они используют, не была оптимизирована для передаваемой мощности, поскольку она показывает небольшую разницу по сравнению с усилителями, необходимыми для полета. Тем не менее, срок любой миссии можно продлить от 3 минут до 2 часов. Полет в настоящее время является более энергоэффективным способом передвижения для SCAMP, чем скалолазание. На самом деле, можно было бы ожидать, что восхождение по вертикальной поверхности будет более эффективным способом в целом, потому что вы не должны делать дополнительную работу по ускорению, как вы делаете это в полете. Вне зависимости от конечного результата, приземление и лазание гораздо более точные и надежные методы, особенно если вы хотите, чтобы ваш робот использовался для выполнения шпионских задач. Это также означает, что изменение положения не требует более опасных маневров. В качестве хорошей аналогии: современный широкофюзеляжный пассажирский самолет получает эффективность примерно 100 миль на галлон на одного пассажира, но вы столкнетесь с проблемами, если вы пытаетесь использовать его в попытке добраться от вашего дома до продуктового магазина. Выигрыш в эффективности компенсируется потерей в точности и затратами на взлет и посадку, так же как в случае с роботом-скалолазом. Дальнейшая работа Глядя вперед, есть много вещей, которые можно сделать с SCAMP, и которые инженеры хотят реализовать в ближайшее время. Например, можно более оптимально настроить походку робота, используя два сервопривода, чтобы компенсировать шероховатость поверхности и скользкость. Для скользкой поверхности более короткая длина хода может быть более надежной, потому что есть меньше изменений высоты и обратного воздействия. Для поверхностей, которые являются относительно гладкими и имеют в основном небольшие выбоины, удержание ног на очень плоской траектории максимизирует шансы найти хорошее сцепление, особенно если есть мало точек опоры и они находятся далеко друг от друга. По информации robotics.ua, в будущей работе ученые хотели бы реализовать адаптивное управление походкой для алгоритмов SCAMP, которые позволят роботу реагировать на неудачу и динамически изменять свою стратегию восхождения. Это то, где машинное обучение может стать мощным инструментом в режиме реального времени, а правильный алгоритм может создавать эффективные способы передвижения, чего не было прежде. «Мы также видим SCAMP в качестве исходника для всего семейства роботов- альпинистов различных размеров. Уроки, которые мы извлекли из SCAMP, должны позволить нам осваивать новые поверхности, новые среды, а также различные платформы с новыми способностями зондирования и коммуникации. В то же время SCAMP будет продолжать делать все возможное, чтобы бросить вызов гравитации и подниматься вверх, не падая вниз».