Одноногий квадрокоптер подпрыгнул вверх на полтора метра

Инженеры из Гонконга создали гибридного одноногого робота-прыгуна весом 35 грамм. Робот получил названием Hopcopter и представляет собой мини-квадрокоптер, снизу которого закреплена пассивная телескопическая нога с эластомерной пружиной. В отличие от прыгающих роботов с актуаторами в ногах, срабатывание которых происходит, пока робот находится на земле, Hopcopter приводится в движение пропеллерами квадрокоптера во время воздушной фазы прыжка. Во время испытаний робот показал рекордную среди робопрыгунов вертикальную скорость 2,38 метра в секунду и высоту прыжка 1,63 метра. Статья с описанием конструкции робота опубликована в журнале Science Robotics.

Мультикоптеры обладают высокой свободой передвижения — они могут с легкостью облетать препятствия, быстро разгоняться, останавливаться и зависать в воздухе на одном месте. За это они расплачиваются большим расходом энергии, что накладывает серьезные ограничения на продолжительность полета. Наземные роботы энергоэффективнее, но они могут передвигаться только по относительно ровной поверхности.

Кроме того, достаточно давно существуют роботы-прыгуны. Часть времени в прыжке они проводят в воздухе, могут перепрыгивать через препятствия и передвигаться по более сложному рельефу чем, например, колесные или ходячие роботы, но при этом расходуют значительно меньше энергии чем летающие дроны. Однако высота препятствий, через которые могут перепрыгнуть роботы-прыгуны все равно остается ограниченной. Кроме того, сложно создать робопрыгуна с актуаторами в ногах, который бы показывал одновременно отличные результаты по высоте, частоте и стабильности прыжков.

Инженеры под руководством Пакпонга Чирараттананона (Pakpong Chirarattananon) из Городского университета Гонконга решили обойти эти ограничения, объединив возможности летающих и прыгающих роботов. Они разработали гибридного робота под названием Hopcopter, который может и прыгать, и летать. Он состоит из двух основных частей: миниатюрного квадрокоптера модели Crazyflie 2.1 и одной пассивной телескопической ноги длиной 22 сантиметра.

Верхняя часть ноги сделана из двух стержней из углеродного волокна, которые жестко закреплены под квадрокоптером с помощью 3D-печатных креплений. Нижняя часть — основной движущий элемент прыжкового механизма — состоит из одного углеволоконного стержня с точечной стопой на одном конце и крючками для крепления нескольких эластичных лент, выполняющих роль пружинного элемента, на другом. Подвижная и неподвижная части соединяются через подшипники, которые ограничивают относительное движение только вертикальным направлением и минимизируют трение скольжения. Масса полностью собранного робота всего около 35 грамм.

В отличие от роботов-прыгунов с актуаторами в ногах, Hopcopter активируется пропеллерами квадрокоптера в воздушной фазе прыжка. Во время контакта с поверхностью пассивная телескопическая нога сначала поглощает, а затем высвобождает запасенную эластичным элементом кинетическую энергию, благодаря чему Hopcopter совершает новый прыжок и цикл повторяется. При этом Hopcopter может полноценно летать как квадрокоптер, а пассивную пружинную ногу использовать, например, для того чтобы резко изменить направление полета, оттолкнувшись ею от стены или пола, или для того, чтобы предотвратить столкновение с препятствием.

Чтобы Hopcopter мог стабильно прыгать и не падать, используя только информацию с собственных сенсоров, его дополнительно оснастили активным аэродинамическим стабилизатором. Три управляемые одним сервомотором аэродинамические плоскости, расположенные над квадрокоптером, влияют на угол приземления, стабилизируя боковую скорость и положение робота при прыжке. При этом, например, пропадает необходимость использовать в алгоритме управления информацию от внешних сенсоров системы захвата движений.

В экспериментах Hopcopter показал вертикальную скорость прыжка 2,38 метра в секунду при высоте подъема 1,63 метра, что превосходит зарегистрированные показатели других прыгающих роботов. Например, известный робот-прыгун Salto-1P способен подпрыгнуть лишь на высоту 1,25 метра со скоростью 1,83 метра в секунду.

Инженеры считают, что в будущем подобный гибридный дизайн может быть использован, например, для перемещения грузов, которые слишком тяжелы для транспортировки в непрерывном полете. Также предложенный метод перемещения может использоваться для увеличения продолжительности работы робота на одном заряде батареи. К примеру, дрон без ноги способен продержаться в воздухе около шести минут, в то время как в режиме прыгуна робот может двигаться 20 минут, а с использованием батареи большей емкости до 50 минут.

Масса Hopcopter составляет всего 35 грамм, однако совершать прыжки могут и гораздо более крупные роботы. Недавно, например, китайская компания Unitree Robotics показала, как разработанный ею полноразмерный человекоподобный робот H1 массой 50 килограмм выполнил обратное сальто.