Пневматические приводы подарили роботу-гепарду

Электродвигатели помогли сделать многоногих роботов массовым явлением, предлагая простой и компактный способ управления роботизированными конечностями со всеми необычными функциями управления, необходимыми для безопасного и маневренного движения. Чего вы не можете получить от электродвигателей (по крайней мере, не один раз), так это мгновенной мощности, необходимой для соответствия производительности биологических мышц. Вот почему Atlas, возможно, самый мощный и динамичный робот на данный момент, использует гидравлические приводы — чтобы заставить робота размером с человека сделать сальто назад, это практически единственный способ получить необходимую вам мощность.

Вдохновленные высокоскоростным маневрированием гепардов, робототехники из Кейптаунского университета в Южной Африке начали экспериментировать с пневматическим аналогом гидравлических приводов старой школы. Используя газ в качестве рабочей жидкости вместо жидкости, вы можете получить высокое соотношение силы и веса в относительно простом и недорогом форм-факторе со встроенной податливостью, которой нет в гидравлике. Легко ли управлять пневматикой? Неа! Но чтобы заставить робота бегать как гепард, оказывается, сложное управление может даже и не понадобиться.

«Мы утверждаем, что для быстрой маневренности, возможно, не требуется точное управление силой», — Амир Патель, Университет Кейптауна, Южная Африка.

Во-первых, давайте поговорим о том, что не так с гидравликой, потому что гидравлика сложна, дорога и очень неприятна, если когда-нибудь взорвется, что иногда случается. И хотя несоответствующая природа гидравлики облегчает ее моделирование и управление, она также делает ее менее щадящей в реальном использовании. Если вернуться достаточно далеко, в 1980-е годы, когда Марк Райберт разрабатывал роботов с динамическими ногами в Массачусетском технологическом институте, эти бегающие и прыгающие роботы полагались на пневматику, а не на гидравлику, потому что пневматику было гораздо проще реализовать.

Одна из главных причин, по которой сегодня все, кажется, используют гидравлику, а не пневматику, заключается в том, что воздух сжимаем, что отлично подходит для встроенного соответствия, но портит большинство традиционных методов управления. «Точный контроль силы при использовании этого привода затруднен, и большинство избегают этого», — объясняет Амир Патель, доцент Кейптаунского университета. «Гидравлика несжимаема и может творить удивительные вещи, но она немного дороже пневматики. И, глядя на животных, которым требуются взрывные движения конечностей, мы подумали, что пневматика будет хорошим, но часто упускаемым из виду приводом».

Патель провел огромное количество исследований биомеханики гепардов. О некоторых из них мы писали ранее. (Например, вот почему у гепардов пушистые хвосты.) Но недавно Патель пытался найти способы отслеживать динамику гепардов с очень высокой точностью, чтобы выяснить, как они могут двигаться так, как они. Это было бы легко, если бы гепарды сотрудничали, но, судя по всему, попытаться заставить их пробежаться прямо по небольшой силовой пластине или выполнить нужный вам маневр, находясь в идеальном поле зрения камер, которые вы установили, - это своего рода кошмар. Большая часть этой работы еще продолжается, но Патель уже узнал достаточно, чтобы предложить новый подход к передвижению, вдохновленному гепардами. «Наш опыт изучения гепардов здесь, в Южной Африке, показал, что они на самом деле не пытаются точно контролировать силу при ускорении из состояния покоя», — говорит Патель. «Они просто толкаются изо всех сил, что заставляет нас думать, что исполнительный механизм включения/выключения [также известный как двухпозиционный контроллер], такой как пневматика, может выполнить эту работу. Мы утверждаем, что точный контроль силы, возможно, не нужен для задач быстрой маневренности».

«Мы сосредотачиваемся на переходной фазе движения — например, на быстром ускорении с места или на остановке при быстрой походке», — Амир Патель, Университет Кейптауна, Южная Африка.

Патель (вместе с коллегами Кристофером Мейлером, Стейси Шилд и Рубеном Говендером) построил робота с ногами (или, во всяком случае, половину робота с ногами) по имени Кемба, чтобы исследовать тот тип быстрого ускорения и маневренности, которые может предложить пневматика. Бедра Кембы оснащены электродвигателями с квазипрямым приводом с высоким крутящим моментом на бедрах для более точного позиционирования, а к коленям прикреплены мощные пневматические поршни. В то время как электродвигатели обеспечивают тот точный контроль, который мы привыкли ожидать от электродвигателей, поршни управляются простыми (и дешевыми) бинарными клапанами, которые могут быть включены или выключены. Исследователи приложили много усилий для моделирования сложной динамики пневматических приводов, потому что в конце концов нужно некоторое понимание того, что делает пневматика. Но опять же, концепция здесь состоит в том, чтобы использовать пневматику для взрывного срабатывания и получить более точный контроль от электродвигателей на бедрах.