Tvåbent robot som kombinerar gång och flyg för att navigera i svår terräng

En tvåbent robot som kombinerar gång och flyg för att skapa en ny typ av lokomotion har utvecklats av forskare vid Caltech. Denna nya kombination möjliggör för roboten att utföra komplexa rörelser.

Roboten är en blandning av en gående robot och en flygande robot, och den kallas LEONARDO, eller LEO för kort. Den kan gå på en slackline, hoppa och åka skateboard.

Roboten utvecklades av ett team vid Caltechs Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), och det är den första roboten som använder multi-jointben och propellerbaserade drivare för att uppnå kontroll över sin balans.

Forskningen publicerades den 6 oktober i Science Robotics.

Soon-Jo Chung är korresponderande författare och Bren Professor of Aerospace and Control and Dynamical Systems.

“Vi drog inspiration från naturen. Tänk på hur fåglar kan flaxa och hoppa för att navigera på telefonledningar”, säger Chung. “Ett komplext men intressant beteende sker när fåglar rör sig mellan gång och flyg. Vi ville förstå och lära oss av det.”

“Det finns en likhet mellan hur en människa som bär en jetdräkt kontrollerar sina ben och fötter när de landar eller tar av och hur LEO använder synkroniserad kontroll av distribuerade propellerbaserade drivare och benleder”, tillägger Chung. “Vi ville studera gränsytan mellan gång och flyg från dynamik- och kontrollsynpunkt.”

https://www.youtube.com/watch?v=DhpMlI8jb5o&t=5s

Tvåbenta robotar

Tvåbenta robotar använder rörelser som människor för att navigera i verkliga miljöer, och dessa rörelser kan inkludera löpning eller hopp. Men svår terräng gör ofta det svårt för detta att hända. Flygande robotar kan enkelt navigera i samma svåra terräng genom att flyga ovanför den, men de är också hämmade av hög energiförbrukning under flygning och begränsad lastkapacitet.

Kyunam Kim är en postdoktorand vid Caltech och medförfattare till artikeln.

“Robotar med multimodala lokomotionsförmågor kan röra sig genom utmanande miljöer mer effektivt än traditionella robotar genom att växla mellan sina tillgängliga rörelseformer. I synnerhet syftar LEO till att överbrygga gapet mellan de två olika domänerna för luftburen och tvåbent lokomotion som vanligtvis inte är sammanflätade i befintliga robotsystem”, säger Kim.

Utveckling av en hybridrörelse

Forskarna försökte komma runt detta genom att förlita sig på en hybridrörelse som ligger mellan gång och flyg. LEO har lätta ben som tar bort stressen från dess drivare genom att stödja en stor del av vikten.

Patrick Spieler är medförfattare till artikeln.

“Baserat på de typer av hinder den behöver korsa kan LEO välja att använda antingen gång eller flyg, eller blanda de två som behövs. Dessutom kan LEO utföra ovanliga lokomotionsmanövrar som även för människor kräver mästerskap av balans, som att gå på en slackline och åka skateboard”, säger Spieler.

LEO är 2,5 fot lång och har två ben med tre aktuerade leder, samt fyra propellerdrivare som är monterade i en vinkel vid robotens axlar. LEOs propellrar hjälper till att hålla den upprätt medan den går, och benaktuerarna ändrar benens position för att flytta robotens tyngdpunkt framåt, vilket den gör genom att använda en synkroniserad gång- och flygkontroller. När LEO flyger fungerar den som en drone och använder bara propellrarna.

Elena-Sorina Lupu är en doktorand vid Caltech och medförfattare till artikeln.

“På grund av dess propellrar kan du knuffa eller stöta till LEO med en hel del kraft utan att faktiskt knuffa omkull roboten”, säger Lupu.

Teamet kommer nu att förbättra LEOs prestanda genom att utveckla en mer rigid benkonstruktion som kan stödja mer vikt, och de kommer också att öka propellrarnas drivkraft. Ett annat mål är att göra LEO mer autonom och att utrusta den med en nyutvecklad drone-landningskontrollalgoritm.

“Just nu använder LEO propellrar för att balansera under gång, vilket innebär att den använder energi ganska ineffektivt. Vi planerar att förbättra benkonstruktionen för att göra LEO gå och balansera med minimal hjälp av propellrar”, säger Lupu.