Андроид научился на ходу менять жесткость стоп

Инженеры из Японии и Франции разработали мягкие пневматические стопы для гуманоидного робота, которые могут в реальном времени менять жесткость в зависимости от типа поверхности. Стопы выполнены из силикона и способны переключаться от мягкого состояния к жесткому менее чем за 100 миллисекунд. Благодаря этому робот может на ходу подстраиваться под рельеф. Статья опубликована в журнале Advanced Robotics Research.

От гуманоидных роботов все чаще ждут, что они будут работать в реальных условиях — на промышленных площадках, в больницах и жилых помещениях, где поверхность под ногами непредсказуема. В отличие от колесных или четвероногих двуногие роботы благодаря высокому центру тяжести более чувствительны к неровностям и ударным нагрузкам. При этом большинство существующих человекоподобных роботов ходят на жестких стопах. Это упрощает управление, но приводит к проскальзыванию и плохому поглощению ударов. Наиболее простое решение проблемы — мягкие подошвы для амортизации. Однако такой подход не позволяет подстраиваться под рельеф местности в реальном времени.

Инженеры под руководством Ирен Фриццы (Irene Frizza) из совместной французско-японской лаборатории робототехники AIST-CNRS пришли к выводу, что идеальным решением была бы стопа, способная менять жесткость — по аналогии с тем, как мышцы человеческой стопы регулируют тонус в зависимости от поверхности. Они разработали мягкую пневматическую стопу с управляемой жесткостью и протестировали ее на реальном роботе.

Ступня имеет трехслойную структуру. Верхний и нижний выполнены из мягкого силикона Ecoflex и имеют встроенные воздушные камеры, разделенные нерастяжимым нейлоновым слоем. Когда обе камеры накачивают одинаково, они создают противоположные силы относительно среднего слоя, что приводит к увеличению сопротивления изгибу, как и в случае мышц-антагонистов в человеческой стопе. Внутри силиконовых слоев расположены полые алюминиевые элементы, выполняющие роль скелета, а сама стопа разделена на пять сегментов, имитирующих пальцы. Для дополнительной прочности инженеры обмотали подошву кевларовым волокном, что позволило увеличить жесткость более чем на 40 процентов.

Для распознавания рельефа на передней части каждой стопы установлена камера глубины Intel RealSense. Камеры сканируют поверхность во время фазы переноса ноги, что позволяет строить профиль высот, из которого система управления затем извлекает параметры рельефа. Параметры передаются в классификатор на основе метода k ближайших соседей, обученный на шести тысячах симулированных сценариев ходьбы. Эта информация затем используется для подбора необходимого давления воздуха, которое регулируется тремя электромагнитными клапанами. Вся цепочка от захвата кадра до установки давления занимает около 130 миллисекунд, что укладывается в 300 миллисекундное окно фазы переноса ноги. Средняя мощность пневматической системы составляет менее трех ватт на стопу, что меньше двух процентов от общего энергопотребления робота.

В экспериментах инженеры использовали человекоподобного робота HRP-4CR, который проходил дистанцию в два метра по гладкому полу, ковру и по ковру с разбросанными кабелями. Сравнение проводилось между жесткими стопами, пассивными мягкими стопами и предложенной адаптивной системой. Адаптивные стопы показали лучшие результаты по всем метрикам. Траектория центра масс робота стала более плавной — ее боковое отклонение сократилось с 12 до трех сантиметров, а пиковые силы удара при контакте с землей снизились с 600 до менее чем 500 ньютонов. Улучшение баланса достигалось исключительно за счет адаптации стоп, без изменений в контроллере ходьбы. Дополнительно разработчики выполнили моделирование в симуляторе MuJoCo на более сложных поверхностях — камнях, черепице, кирпичной кладке и мелком щебне. Симуляции подтвердили, что адаптивные стопы позволяют роботу успешно преодолевать препятствия высотой до 25 миллиметров и показывают на 70 процентов более высокий уровень успеха при прохождении сложных маршрутов по сравнению с фиксированными конфигурациями.

Пока система протестирована только в лабораторных условиях, и ее работоспособность еще не проверили на открытом воздухе и при плохом освещении. В дальнейшем авторы планируют дополнить камеры тактильной обратной связью от самой подошвы, чтобы система корректировала жесткость ступней даже при ненадежных визуальных данных.

Корейские инженеры из Корейского института технологий и образования тоже работают над улучшением ног человекоподобных роботов, пытаясь приблизить их к человеческим возможностям. В 2023 году они представили ногу HyperLeg, которая имитирует анатомию и возможности человеческой конечности. Нога имеет подвижный голеностопный сустав с двумя степенями свободы и подвижную стопу с отклоняемым мыском.