Изображение создано при помощи модели Шедеврум
Антропоморфные роботы с адаптивными кистями, способные хватать объекты и манипулировать ими вслепую, а также перемещаться в незнакомом пространстве с неполной картой окружения, — такую разработку представила группа ученых из петербургского университета ИТМО. Разработчики создали трехэтапный алгоритм по созданию подобных машин. Ожидается, что конструируемые таким путем механизмы будут более дешевыми, эффективными, легкими и компактными. Метод уже был опробован на процессе создания прыгающего гибкого робота.
Роботы, применяемые на производстве, обязаны быть точными и скоростными. Но эти характеристики требуют много энергии, поэтому самые сложные машины обычно запитываются от электросети. Таким образом, мобильность конструкции снижается — чаще всего роботы для этих целей приходится делать стационарными.
В случае с мобильными роботами постоянное питание от сети организовать невозможно — в них приходится внедрять портативные батареи с ограниченным зарядом. Однако мощность такого источника питания прямо пропорциональна его размерам: чем дольше батарея способна питать робота, чем она объемнее и тяжелее. А это означает, что для перемещение элемента питания робот будет затрачивать дополнительную энергию, которую он из этого же элемента и получает. Все это превращается в замкнутый круг, выход из которого — в облегчении конструкции и использовании естественной динамики механизма для совершения манипуляций, которая не требует дополнительной энергии от внешнего источника.
Принцип использования естественной динамики робота связан с морфологическим проектированием. При нем требуемая для движения динамика обеспечивается с помощью естественного физического исполнения. Создатели определенным образом распределяют массу, механические связи и эластичность. Благодаря этому системе управления не нужно полностью регулировать движения, достаточно лишь поддерживать и корректировать естественную динамику, которая уже существует.
Чтобы добиться такого результата, ученые при проектировании должны формализовать процессы и учитывать не только алгоритмы управления, но и непосредственно механику машины. Ранее ученые постоянно совершенствовали алгоритмы управления, не меняя комплектующих элементов по сравнению со стационарными индустриальными роботами. Однако для перемещения робота в неструктурированной среде важно пересмотреть саму парадигму его конструирования, так как для него адаптивность и энергоэффективность всегда будет важнее скорости и грузоподъемности.
Группа ученых университета ИТМО предложила свой метод создания механизмов манипуляционных, локомоционных и носимых роботов, заложив в его основу трехэтапный алгоритм проектирования.
На первом этапе предлагается решение задачи открытой кинематики. Здесь необходимо описание, из скольких последовательных звеньев состоит механизм, какая у них должна быть длина и какую траекторию нужно выстроить с их помощью для получения желаемой производительности.
На втором этапе звенья замыкаются в цепочку, то есть кинематика превращается из открытой в замкнутую (в каждом звене больше двух присоединений). Алгоритм позволяет описать, какие звенья нужно присоединить к исходному механизму, чтобы перенести приводы в иное сочленение, убрать лишние или добавить новые механические связи. Это помогает получить механизм с меньшей инерцией или добавить новые механические связи. Как итог — полное избавление от лишних приводов. Все это приводит к необходимому результату — экономии энергии и увеличению скорости движения робота.
На третьем этапе описано, куда устанавливаются приводы, чтобы эффективность работы была максимальной. Вместе с установкой приводов в механизм интегрируют физические и виртуальные эластичные элементы. Они помогают роботу адаптироваться к окружающей среде, амортизировать неровности и компенсировать потраченную энергию.
Цель внедрения каждого параметра конструкции — повышение производительности и получение максимальной функциональности. Все это позволяет создавать более эффективные устройства.
«С помощью нашего метода можно разработать любой рычажный механизм: механизм ноги для шагающего робота, механизм пальца для захватного устройства, элементы экзокостюма и другое. Кроме того, подход позволяет создавать роботов, которые могут функционировать в условиях неструктурированной и неизвестной среды. Например, шагающего робота, который даже в условиях плохой освещенности и неполноты данных сможет передвигаться вслепую, или антропоморфную кисть, которой можно хватать объекты наощупь», — рассказывал инженер исследовательского центра ИТМО в сфере ИИ «Сильный искусственный интеллект в промышленности», участник проекта Иван Борисов.
Используя предложенный метод, ученые ИТМО создали гибкого прыгающего робота. Он может прыгать на месте и передвигаться по пересеченной местности. Перемещение происходит в режиме автоколебаний за счет работы привода и пружин, при этом у него можно изменять скорость и направление движения.
Главный практический результат разработки — снижение требований к производительности электропривода робота в 4 раза. Если бы такого же робота с аналогичной производительностью пришлось создавать классическими методами, пришлось бы использовать более мощные приводы, которые потребляли бы значительно больше энергии.
Таким образом, предложенный учеными метод позволяет получить максимум из комплектующих и максимизировать эффективность приводов. Кроме того, за счет возвращения энергии с помощью эластичных элементов значительно снижается энергопотребление — робот становится максимально энергоэффективным.
На основе предложенного метода специалисты разрабатывают новый программный продукт. Он будет автоматически генерировать дизайн робототехнической системы под заданные цели и параметры. Фреймворки позволят не только создавать конструкции роботов и определять траектории управляющих приводов, но и быстро проверять полученные решения в имитационной среде.
Первая программа уже создана в ИТМО для захватных устройств. Для получения алгоритма его работы достаточно загрузить в программу объект для захвата и параллельно отредактировать отдельные параметры — например, форму захватываемого предмета, его вес и другие параметры. Алгоритм автоматически сгенерирует структуру механизма и оптимизирует геометрические параметры и значения усилий в сочленениях, которые нужно приложить. На следующем этапе ученые предполагают создать аналогичный программный алгоритм для шагающих роботов.
В комплексе все эти алгоритмы помогут проектировщикам создавать механизмы для различных мехатронных и робототехнических систем. Метод имеет огромные перспективы: он позволит создавать энергоэффективные роботы, работающих изолированно от окружения — например, машины для сварки и покраски, роботов для позиционного управления объектами, а также коллаборативных и манипуляционных роботов.
В подписке — дайджест статей и видеолекций, анонсы мероприятий, данные исследований. Обещаем, что будем бережно относиться к вашему времени и присылать материалы раз в месяц.
Спасибо за подписку!
Что-то пошло не так!
