Робособаку научили плавать по-собачьи

Китайские и американские инженеры создали четвероногую робоамфибию, способную ходить по суше и плавать в воде, перебирая ногами. Робособака массой 2,5 килограмма может плавать несколькими стилями, которые отличаются последовательностью и скоростью гребков. Один из стилей позволяет амфибии плыть быстрее, а другой обеспечивает более высокую устойчивость. Робот может самостоятельно плавно переходить с суши в воду и плавает с максимальной скоростью до 0,16 метров в секунду, что соответствует 0,54 длин тела робота в секунду. Статья опубликована в журнале Bioinspiration & Biomimetics.

Современные четвероногие роботы известны своей высокой подвижностью и мобильностью. Они могут быстро бегать, взбираются по вертикальным лестницам и передвигаются по сложной пересеченной местности, что делает их незаменимыми для инспекции, спасательных операций и патрулирования территории. Однако большинство существующих робособак пока неспособны преодолевать водные преграды, что ограничивает их применение в реальных условиях. Несмотря на то, что некоторые модели имеют достаточно хорошую защиту от воды и могут даже целиком погружаться, преодолевая водоемы по дну, до недавнего времени не существовало робособак, которые могли бы свободно плавать без дополнительных винтов или приспособлений, используя для движения греблю конечностями.

Прототип такого робота-амфибии разработали инженеры под руководством Юньцюаня Ли (Yunquan Li) из Южно-Китайского технологического университета совместно с коллегами из США и Гонконга. Созданный ими четвероногий робот ARD (Amphibious Robotic Dog) с длиной корпуса 300 миллиметров и массой 2,5 килограмма может ходить по суше, как обычная робособака, и плавать в воде, имитируя движения ног реальных собак. При этом робот держится на поверхности и использует для движения только свои конечности.

Сперва разработчики детально смоделировали собачий стиль плавания. Каждое движение лапы животного состоит двух фаз: рабочей, когда нога выпрямляется, с силой отталкивая воду назад, и фазы возврата, когда нога подтягивается к телу и выдвигается вперед так, чтобы минимизировать сопротивление воды. Эту механику инженеры реализовали на упрощенной стандартной ноге четвероногого робота, состоящей из двух суставов. Испытания, которые сначала провели только на одной ноге, показали, что чем короче рабочая фаза гребка, тем выше создаваемая ногой тяга. Это объясняется тем, что для прохождения одного и того же пути за меньшее время, ноге приходится двигаться быстрее. Используя эти результаты инженеры построили прототип робота с четырьмя ногами и защищенным от воды корпусом. Чтобы не усложнять задачу, ноги прототипа имеют только две степени свободы и не могут отводиться в сторону от корпуса. Конструкция была спроектирована так, чтобы центр масс находился ниже центра плавучести — это позволяет роботу не переворачиваться в воде.

Инженеры сравнили между собой несколько алгоритмов движений ног в воде. Одна группа стилей плавания имитирует естественное поведение многих собак: ноги робота совершают гребки поочередно — сначала с одной стороны, а затем с другой. Были протестированы версии этого латерального стиля с рабочими фазами 25 процентов (в любой момент времени гребет только одна нога) и 33 процента (есть небольшое перекрытие между гребками). Другой стиль плавания напоминает рысеподобную походку: диагонально расположенные ноги гребут одновременно с рабочей фазой 50 процентов от цикла движения ноги.

Как оказалось, диагональный стиль плавания обеспечивает большую устойчивость робота в воде, благодаря компенсации моментов между противоположными конечностями, в то время как боковой поочередный собачий стиль вызывает большее раскачивание корпуса, но при этом создает большую тягу, позволяя плыть быстрее. Используя латеральный стиль с рабочей фазой 33 процента робот развил максимальную скорость 0,16 метра в секунду, что составляет 0,54 длины тела в секунду. По суше робот ходит с максимальной скоростью 0,35 метра в секунду, что составляет 1,16 длины тела в секунду. Помимо тестов в лабораторном бассейне, разработчики проверили робота и в естественном водоеме. Кроме этого, ARD успешно продемонстрировал переход с суши в воду: он спускался по наклонной рампе обычной сухопутной походкой, а при входе в воду плавно переключался в режим плавания.

В дальнейшем авторы планируют улучшить подвижность робота, добавив ногам дополнительные степени свободы, которые позволят отводить их в стороны. Кроме этого планируется модернизировать систему управления, реализовав управление с обратной связью, что позволит повысить устойчивость робота на суше и в воде.

Ходьба может пригодиться не только амфибиям, но и полностью подводным роботам. Например, подводный робот HERO-BLUE, созданный корейскими инженерами, способен ходить по неровному дну, покрытому камнями и водорослями, используя свои мягкие плавники в роли конечностей. Цепляясь за дно робот может двигаться навстречу течению, экономя энергию, и перебираться через мелководные участки, которые было бы невозможно преодолеть без этой способности.