Модульный дизайн робота использует привязанные прыжки для исследования планет

Недавние технологические достижения открыли новые возможности для разработки роботизированных систем, включая космические аппараты для исследования других планет. Эти новые системы могут в конечном итоге способствовать нашему пониманию нашей галактики и уникальных характеристик множества небесных объектов, которые она содержит. Исследователи из лаборатории Робототехники и Механизмов (RoMeLa) Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали SPLITTER (Space and Planetary Limbed Intelligent Tether Technology Exploration Robot), многороботную систему для планетарных исследований, состоящую из двух роботов с четырьмя ногами массой менее 10 кг, соединенных с помощью привязи.

Предлагаемая ими система, которую планируется представить на конференции IEEE Aerospace Conference (AeroConf) 2025, может прыгать по поверхности Луны или астероидов, а также собирать данные о своем окружении. Работа также опубликована на сервере препринтов arXiv. "Вдохновением для этого исследования послужили проблемы передвижения и управления ориентацией (управления 3D-ориентацией) в условиях низкой гравитации, таких как Луна или астероиды", — рассказал Юсуке Танака, первый автор работы, изданной в Tech Xplore. "Традиционные роверы большие, тяжелые и медленные, что ограничивает площадь и эффективность планетарных исследований. "Воздушные решения, такие как дроны, могут наблюдать большие участки поверхности, чем роверы, но они непрактичны из-за отсутствия атмосферы на Луне или астероидах.

Наша работа исследует альтернативу — использование динамичных, последовательных прыжков скомбинированных с инерционным морфингом для стабилизации в полете". Исследовательская группа RoMeLa ранее представила робота с ногами для лазания, который они назвали SCALER (Spine-enhanced Climbing Autonomous Legged Exploration Robot), разработанного для планетарных исследований. Однако при испытаниях этого робота они обнаружили, что он движется медленно, как при ходьбе, так и при подъеме по поверхности. Таким образом, они начали исследовать методы повышения его эффективности, не меняя его общую структуру. "Основной целью этой работы было продемонстрировать управление ориентацией через инерционный морфинг путем регулирования инерции с помощью изменения конфигурации конечностей и длины привязи, что делает робота SPLITTER эффективным по массе и масштабируемым решением для планетарных исследований", — сказал Танака.

"Наш подход является одним из первых (если не первым), который достигает управления ориентацией через инерционный морфинг с помощью модели предсказательного управления (MPC)". В новом исследовании Танака и его коллеги представили механизм инерционного морфинга на основе MPC. Этот механизм регулирует ориентацию робота, когда тот находится в полете, и улучшает его стабильность. "Механизм инерционного морфинга использует Теорему теннисной ракетки (эффект Джанибекова), которая описывает, как объекты с асимметричной инерцией могут переживать спонтанные перевороты при вращении вокруг своей промежуточной оси", — объяснил Танака. "Наш контроллер ориентации на основе инерционного морфинга использует этот принцип для агрессивной стабилизации стабильности полета робота в воздухе контролируемым образом".

Статья исследователей описывает дизайн новой роботизированной системы, названной SPLITTER, включая характеристики приводных механизмов, необходимых для ее работы. Робот по сути состоит из двух небольших четырехногих роботов, называемых Hemi-SPLITTER, которые соединены привязью, образуя структуру, напоминающую гантелю. "Конечности робота достаточно мощные, чтобы прыгать при пониженной гравитации, но при этом они требуют стабильного контроля в полете", — сказал Танака. "Вместо того, чтобы полагаться на тяжелые реакционные колеса или газовые тяги для управления ориентацией, SPLITTER динамически изменяет свою инерцию, регулируя длину привязи и положение конечностей".

Новая система, разработанная этой исследовательской группой, может иметь различные преимущества по сравнению с многими ранее предложенными роботами для планетарных исследований. Одним из ключевых преимуществ является ее эффективность по массе, что исключает необходимость в специализированном оборудовании для управления ориентацией, таком как газовые двигатели, реакционные колеса или крылья, а также улучшенная подвижность. "Механизм привязи также полезен для планетарных исследований", — добавил Танака. "Например, один Hemi-SPLITTER может войти в кратер или пещеру, в то время как другая сторона закрепляется для поддержки. Наша успешная прыжковая локомоция эффективна, поскольку она может накапливать энергию прыжка в вращении, что позволяет ускоряться с каждым прыжком". Дизайн робота SPLITTER и механизм, лежащий в основе его локомоции, могут быть особенно полезными для исследований в условиях низкой гравитации.

В таких условиях традиционные роботы на колесах оказываются неэффективными, в то время как воздушные роботы не всегда легко развернуть. "Наши выводы демонстрируют, что SPLITTER может контролировать положение робота в воздухе с помощью техники инерционного морфинга с MPC в нашей симуляции", — сказал Танака. "Мы использовали MPC, чтобы показать, что система может регулировать угловую скорость/ориентацию и поддерживать стабильность без внешних сил или моментных колес". Исследователи видят развертывание своих роботизированных систем в виде роя роботов, который мог бы эффективно передвигаться и исследовать обширную и неструктурированную среду. Разработанный ими механизм инерционного морфинга на основе MPC также может быть применен к другим роботам, а также спутникам и космическим аппаратам, чтобы улучшить их стабильность в космосе.

"Наши будущие исследования будут сосредоточены на экспериментах с SPLITTER в высокоточной симуляции, чтобы дополнительно подтвердить инерционный морфинг с MPC, в которой возможно более точное физическое моделирование и анализ движения робота", — добавил Танака. "Эта статья является частью проекта SPLITTER, нашего основополагающего исследования, направленного на разработку технологий для создания аппаратного обеспечения SPLITTER". В настоящее время команда RoMeLa из UCLA работает над дальнейшим совершенствованием аппаратного обеспечения робота. Например, они сосредоточены на разработке новых приводных механизмов и сенсорных систем для SPLITTER, что может расширить его возможности. "Наши эксперты в лаборатории специализируются на роботах с ногами, в основном для наземной локомоции на Земле. Все, что мы узнали за десятилетия исследований, разрабатывая эти системы, теперь мы применяем в космических приложениях, что снова ставит перед нами совершенно новый набор трудных задач", — сказал д-р Деннис Хон, руководитель проекта и директор RoMeLa. "С новыми задачами мы создаем новые решения и новые знания, что делает эту работу более значимой и интересной".

• Исследования показывают, что захват углерода дороже, чем переход на возобновляемые источники энергии
• Саудовской Аравии продолжает расти, страна ставит большие ставки на искусственный интеллект
• Новинка — наушники с обворачивающим дизайном для качественного звучания
• Если какой-либо ИИ станет «несоответствующим», система скроет это настолько долго, чтобы нанести вред — управление им — это заблуждение
• Воздушный робот может безопасно ориентироваться в незнакомых условиях на высоких скоростях
• Закрученный свет: лампа Эдисона снова обрела смысл
• Микроволновка для проводов и кабелей
• Учёные обнаружили новую, третью форму магнетизма, которая может стать «недостающим звеном» в поисках сверхпроводимости