Новый мини-гепард робот MIT упругий и легкий на ногах, с диапазоном движения, который конкурирует с гимнасткой-чемпионом. Четырехногий силовой агрегат может сгибаться и широко размахивать ногами, позволяя ему двигаться либо правой стороной вверх, либо вверх ногами. Робот также может перемещаться по неровной поверхности примерно в два раза быстрее, чем средняя скорость ходьбы человека.
При весе всего в 20 фунтов — легче, чем у некоторых индейок в День благодарения — четвероногий конечник не является легким делом: когда его ударили о землю, робот может быстро выровнять себя быстрым, похожим на кунг-фу размахом своих локтей.
Пожалуй, самым впечатляющим является его способность выполнять сгибание на 360 градусов из положения стоя. Исследователи утверждают, что мини-гепард спроектирован так, чтобы быть «практически неразрушимым», восстанавливаясь с небольшим повреждением, даже если сальто заканчивается разливом.
Новый мини-гепард робот MIT является первым четвероногим роботом, который сделал сальто назад. Всего за 20 фунтов четвероногий член может сгибаться и широко размахивать ногами, что позволяет ему двигаться либо правой стороной вверх, либо вверх ногами. Робот также может перемещаться по неровной поверхности примерно в два раза быстрее, чем средняя скорость ходьбы человека.
В случае поломки конечности или мотора мини-гепард спроектирован с учетом модульности: каждая ножка робота приводится в действие тремя одинаковыми недорогими электродвигателями, которые исследователи сконструировали с использованием готовых деталей. Каждый мотор можно легко заменить на новый.
«Вы можете соединить эти детали, почти как в Legos», — говорит ведущий разработчик Бенджамин Кац, технический сотрудник отдела машиностроения MIT.
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 ножками, стремясь получить набор из 10 штук, каждую из которых они надеются одолжить другим лабораториям.
«Большая часть того, почему мы создали этого робота, заключается в том, что с ним очень легко экспериментировать и просто пробовать сумасшедшие вещи, потому что робот очень надежен и не ломается легко, а если он ломается, это легко и не очень дорого исправить », — говорит Кац, который работал над роботом в лаборатории Сангбае Кима, доцента по машиностроению.
Ким говорит, что 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 на собаках-роботах через полосу препятствий, где каждая команда контролирует мини-гепарда с различными алгоритмами, и мы можем увидеть, какая стратегия более эффективна», — говорит Ким. «Так вы ускоряете исследования».
«Динамичный материал»
Мини-гепард — это больше, чем просто миниатюрная версия своего предшественника, Гепарда 3, большого, тяжелого, грозного робота, которого часто нужно стабилизировать ремнями, чтобы защитить свои дорогие, изготовленные по индивидуальному заказу детали.
«В Cheetah 3 все супер интегрировано, поэтому, если вы хотите что-то изменить, вам придется сделать массу переделок», — говорит Кац. «Тогда как с мини-гепардом, если вы хотите добавить еще одну руку, 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, облицованный магнитами, который вращается вместе с полем статора, создавая крутящий момент для подъема или вращения конечности; редуктор, обеспечивающий 6: 1 передачу, позволяющую ротору в шесть раз увеличить крутящий момент, чем обычно; и датчик положения, который измеряет угол и ориентацию двигателя и связанной конечности.
Каждая нога приведена 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 наносить сильные удары по земле, не ломая редукторы или конечности.
«Скорость, с которой он может менять силы на месте, очень высока», — говорит Кац. «Когда он бежит, его ноги находятся только 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. 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 двигайтесь гораздо медленнее ».
Инженеры пробежали мини-гепарда через ряд маневров, сначала проверив его способность бегать по коридорам лаборатории Паппалардо в Массачусетском технологическом институте и по слегка неровной поверхности Киллиана Корт.
В обеих средах четвероногий прыгает со скоростью около 5 миль в час. Шарниры робота способны вращаться в три раза быстрее, с удвоенным крутящим моментом, и, по оценкам Каца, робот мог бы работать примерно в два раза быстрее при небольшой настройке.
Команда написала еще один компьютерный код, чтобы робот мог 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 неожиданной силы, такой 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 размахивания 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 они провели в прошлом году и который преподавал профессор EECS Расс Тедрейк, они приступили к программированию мини-гепарда для выполнения сальто назад.
«Мы думали, что это будет хороший тест производительности робота, потому что он требует много мощности, крутящего момента, и в конце броска происходят огромные удары», — 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 в определенной ориентации, направленной вверх, и в итоге перевернулся на 360 градусов. , Затем 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 для выполнения обратного смещения.
«Когда мы впервые это попробовали, это чудесным образом сработало», — говорит Кац.
«Это супер захватывающе», — добавляет Ким. «Представьте, что Cheetah 3 делает сальто назад — он может разбиться и, вероятно, разрушить беговую дорожку. Мы могли бы сделать это с помощью мини-гепарда на рабочем столе ».
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 MIT 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 хотели бросить робота в окно здания и попросить его осмотреть здание. Ты мог бы сделать это.