Современные роботы способны плавать под водой, передвигаться по завалам и даже цепляться за ветви деревьев, словно птицы. Однако универсального способа передвижения, одинаково эффективного на всех типах поверхности, пока не существует. Колёсные и шагающие машины испытывают трудности на неровном рельефе, а летающие дроны ограничены грузоподъёмностью и запасом энергии.
Исследователи предложили необычное решение этой проблемы — робота Hopcopter, который умеет не только летать, но и перемещаться прыжками. Теперь разработчики усовершенствовали его конструкцию, добавив гибкую опорную площадку, позволяющую увереннее приземляться на песок, лёд, камни и другие сложные поверхности.
Как устроен робот Hopcopter?
Hopcopter — это гибрид квадрокоптера и прыгающего робота. Его разработали исследователи из Городского университета Гонконга и Гонконгского университета науки и технологий.
Внешне устройство напоминает обычный небольшой беспилотник с четырьмя винтами. Однако у него есть ещё одна необычная деталь — единственная подпружиненная опорная нога, на которую робот приземляется и от которой отталкивается при следующем прыжке.
Идея конструкции навеяна поведением птиц. Многие пернатые предпочитают перепрыгивать с одного места на другое, а не постоянно находиться в воздухе. Такой способ передвижения позволяет экономить энергию. Создатели Hopcopter решили использовать тот же принцип в робототехнике.
Робот может перемещаться короткими перелётами и прыжками, расходуя значительно меньше энергии, чем при непрерывном полёте. Если подходящей поверхности для приземления нет, он способен продолжить движение в режиме обычного квадрокоптера.
Особенность Hopcopter заключается в возможности переключаться между двумя режимами. Благодаря этому он потенциально сможет добираться до участков местности, куда обычному наземному роботу трудно попасть, а полноценный полёт беспилотника оказывается слишком затратным.
По данным разработчиков, во время прыжка устройство переходит в режим свободного падения, после чего его четыре ротора на короткое время включаются, обеспечивая необходимый импульс для дальнейшего движения. Такая схема позволяет преодолевать достаточно большие расстояния, расходуя примерно в десять раз меньше энергии, чем сопоставимый по размерам дрон.
Новая опора: как робот научился приземляться на сложные поверхности?
Первый прототип Hopcopter, представленный примерно двумя годами ранее, уже умел успешно приземляться на твёрдые и относительно ровные поверхности — например, бетон или мелкий гравий. После контакта с землёй робот мог оттолкнуться единственной ногой и продолжить движение.
Однако на пересечённой местности возникали проблемы. На песке опора проваливалась, на льду проскальзывала, а при посадке на наклонные поверхности робот нередко терял равновесие и падал.
Чтобы устранить эти недостатки, к проекту подключились специалисты Университета Торонто. Они разработали новую гибкую опорную площадку, которая помогает роботу адаптироваться к различным типам поверхности.
Конструкция включает три ключевых элемента.
Увеличенная площадь контакта. Более широкая опора распределяет вес робота по большей поверхности. Благодаря этому он меньше проваливается в рыхлый грунт и песок.
Три эластичные резинки. Они создают необходимое натяжение и помогают опорной площадке возвращаться в исходное положение после приземления. Это позволяет роботу быстрее восстанавливать равновесие перед следующим прыжком.
Небольшие шипы на нижней стороне. Они улучшают сцепление с поверхностью и помогают избежать проскальзывания, в том числе при контакте со льдом.
В результате относительно простая механическая доработка заметно расширила возможности робота. Новая опора не только смягчает последствия приземления, но и позволяет Hopcopter увереннее сохранять устойчивость на неоднородном рельефе.
На 84% стабильнее: результаты испытаний
Эффективность обновлённой конструкции проверили в ходе испытаний на различных типах поверхности.
Согласно опубликованным результатам, новая опорная площадка позволила на 84% сократить разброс показателей работы робота при перемещении по разным типам рельефа.
Проще говоря, поведение Hopcopter стало гораздо более предсказуемым: переход с одного покрытия на другое теперь значительно реже приводит к неудачному приземлению или потере устойчивости.
Это особенно важно для автономных устройств, которым приходится работать без постоянного контроля оператора. Даже небольшая ошибка при посадке может нарушить дальнейшее движение робота, а в труднодоступной местности исправить такую ситуацию бывает непросто.
Где пригодится прыгающий летающий робот?
Разработчики рассматривают несколько перспективных направлений применения Hopcopter.
Одно из наиболее очевидных — поисково-спасательные операции. Робот, способный сочетать полёт и прыжки, потенциально сможет обследовать участки, куда трудно добраться спасателям или обычным наземным машинам.
Ещё одна область применения — инспекция удалённых горнодобывающих объектов. Такие площадки нередко располагаются на сложном рельефе, а для проверки оборудования и обследования территории требуются мобильные устройства, способные преодолевать препятствия.
В перспективе исследователи не исключают даже использование Hopcopter для изучения других планет. Сочетание небольшого энергопотребления, способности летать и возможности перемещаться по поверхности может оказаться полезным при создании автономных исследовательских аппаратов для космических миссий.
Что дальше?
Некоторые участники команды уже занимаются коммерциализацией разработки. Для этого планируется создать серийную версию робота под названием Hop-1. Однако на момент публикации материала устройство ещё не поступило в продажу.
Кроме того, разработчики рассматривают возможность оснащения будущих моделей интегрированными модулями искусственного интеллекта. Они должны улучшить способность робота распознавать препятствия и выбирать подходящий маршрут движения.
Исследование новой опорной конструкции опубликовано в научном журнале Advanced Intelligent Systems.
История Hopcopter наглядно показывает, что для развития робототехники не всегда нужны сложные алгоритмы или принципиально новые двигатели. Иногда существенный прогресс обеспечивает сравнительно небольшая механическая деталь. В данном случае гибкая опора превратила экспериментального прыгающего дрона в гораздо более универсальную машину, способную увереннее работать там, где обычным роботам приходится нелегко.
