- 28,765
- 46
- 8 Ноя 2022
Они ловят энергию каждого удара о землю и возвращают её обратно в шаг.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Четвероногие роботы уверенно преодолевают лестницы, камни и завалы, но расплачиваются за проходимость высоким расходом энергии. Каждый шаг требует поднять ногу, перенести её вперёд, погасить удар о поверхность и снова оттолкнуться. Корейские инженеры предложили частично вернуть потерянную энергию с помощью мягких пористых стоп, напечатанных на 3D-принтере . Контроллер на основе глубокого обучения научился подстраивать походку под их деформацию и сократил потребление энергии от аккумулятора на 1,4–6,2% при скорости от 0,4 до 1 м/с.
Колёсная машина большую часть времени катится вперёд и тратит сравнительно мало энергии на поддержание движения по ровной поверхности. Шагающему роботу приходится постоянно разгонять и тормозить ноги, удерживать корпус и компенсировать толчки при каждом контакте с землёй. Дополнительные потери возникают в электродвигателях, редукторах и сочленениях. Высокий расход ограничивает продолжительность автономной работы и уменьшает расстояние, которое робот может пройти без подзарядки.
Инженеры давно пытаются использовать пружины и другие упругие элементы. При приземлении стопы пружина сжимается и накапливает часть энергии удара, а при отталкивании разжимается и помогает двигателю. Похожий принцип работает в сухожилиях животных и эластичных элементах спортивной обуви.
Обычная пружина приносит пользу только при правильном согласовании с движением ноги. На небольшой скорости накопленная энергия часто возвращается не в тот момент или уходит на внутреннее трение и колебания. Слишком жёсткий элемент почти не деформируется, а чрезмерно мягкий заставляет робота сильнее корректировать положение корпуса. Вместо экономии моторы начинают тратить дополнительную энергию на стабилизацию.
Новая конструкция переносит упругий элемент непосредственно в стопу. Полусферическая накладка сжимается при контакте с землёй, поглощает часть удара, а затем восстанавливает форму во время отталкивания. Отдельные пружины в ногах не нужны, поэтому механизм остаётся сравнительно простым и не требует переделывать суставы серийного робота.
Внутри стопы находится трёхмерная пористая структура на основе трижды периодической минимальной поверхности, или TPMS. Математическая поверхность непрерывно повторяется по трём пространственным направлениям и разделяет объём на взаимосвязанные каналы. В идеальной модели средняя кривизна в каждой точке равна нулю. При изготовлении поверхность получает толщину и превращается в лёгкий каркас со сложной геометрией.
TPMS-структуры отличаются от привычных решёток из прямых балок. Плавные изгибы распределяют нагрузку по большой площади и уменьшают концентрацию напряжений в узлах. Материал сочетает небольшую массу, управляемую жёсткость и способность поглощать механическую энергию. Аналогичные структуры применяют в безвоздушных шинах, амортизирующих деталях, мягких захватах и роботизированных суставах.
Исследователи спроектировали три варианта полусферической стопы: primitive, gyroid и diamond. Каждый вариант образует собственную сеть каналов и по-разному сопротивляется сжатию.
Стопы изготовили методом 3D-печати и испытали под нагрузкой. Во время сжатия измеряли силу, величину деформации, объём поглощённой энергии и долю, которая возвращалась после снятия давления. Разница между накопленной и отданной энергией показывала потери внутри материала.
Лучшие результаты дала алмазная структура с относительной плотностью 60%. Относительная плотность показывает, какую долю от массы сплошной детали того же размера содержит пористый образец. Значение 60% означает, что каркас занимает около трёх пятых доступного объёма материала, а остальная часть приходится на поры.
Выбранная стопа достаточно сильно деформировалась при ударе, поглощала значительную часть механической энергии и теряла сравнительно мало при восстановлении формы. Более жёсткая конструкция хуже работала бы как амортизатор, а слишком податливая могла нарушить устойчивость шага.
Одной замены стоп оказалось недостаточно. Стандартный алгоритм управления рассчитан на твёрдый контакт с поверхностью и воспринимает дополнительное сжатие как отклонение, которое нужно немедленно исправить. Моторы в таком случае противодействуют полезной деформации и расходуют часть энергии, накопленной в пористом элементе.
Чтобы согласовать походку с механикой стоп, инженеры применили глубокое обучение с подкреплением. При таком подходе контроллер многократно пробует разные движения в моделируемой среде и получает оценку за результат. Алгоритм постепенно выбирает действия, которые помогают сохранять устойчивость, поддерживать заданную скорость и тратить меньше энергии.
В модель включили сжатие и обратное расширение TPMS-стоп. Контроллер учитывал, как меняется положение корпуса после контакта с землёй, сколько энергии потребляют приводы и в какой момент упругая накладка возвращает накопленный импульс. Обучение позволило синхронизировать движение суставов с работой пористой структуры.
Во время приземления робот разрешал стопе сжаться и погасить часть удара, а при переносе веса использовал обратную деформацию для отталкивания. Моторы реже выполняли лишние корректирующие движения и развивали меньший момент там, где часть работы могла выполнить сама конструкция.
После обучения контроллер перенесли на серийного четвероногого робота с оптимизированными стопами. Машину проверяли при ходьбе со скоростью 0,4, 0,6, 0,8 и 1 м/с, что соответствует примерно 1,4–3,6 км/ч. Результаты сравнивали с обычными сплошными опорами.
Пористые накладки уменьшили потребление энергии от аккумулятора во всём исследованном диапазоне. Экономия зависела от скорости и достигла 6,2% в наиболее удачном режиме. Минимальное снижение составило 1,4%. Робот при этом сохранял устойчивую походку и не тратил полученную выгоду на постоянное исправление положения корпуса.
Разница в несколько процентов может заметно повлиять на практическую работу мобильной платформы. Запас аккумулятора у четвероногого робота расходуется не только на движение, но и на камеры, лидары, связь и вычислительную систему. Снижение нагрузки на приводы оставляет больше энергии для полезного оборудования или позволяет дольше выполнять задание без возвращения к зарядной станции.
Мягкая стопа также уменьшает резкость контакта с полом. Более плавный удар способен снизить шум при ходьбе и механическую нагрузку на детали ног. Для роботов, работающих в помещениях, больницах, складах или офисах, громкий стук и вибрации создают отдельную проблему.
Разработанная конструкция не превращает четвероногую машину в столь же экономичную платформу, как колёсный робот. Ноги по-прежнему требуют больше энергии на ровной дороге. Преимущество шагающих систем заключается в способности проходить там, где колёса теряют контакт или упираются в препятствие..
Дальнейшие испытания потребуются на неровном грунте, склонах, лестницах и покрытиях с разным коэффициентом сцепления. Песок, гравий и мягкая почва меняют характер деформации и могут уменьшить эффект, полученный на контролируемой поверхности. Инженерам также предстоит проверить износ напечатанного материала после длительной ходьбы и определить, как свойства стоп меняются при тысячах циклов сжатия.
Концепция допускает настройку под разные задачи. Геометрию, относительную плотность, толщину стенок и материал можно менять в зависимости от массы робота, скорости и поверхности. Более мягкая стопа подойдёт для тихого движения в помещении, а жёсткая конструкция сможет выдерживать тяжёлый груз при инспекции промышленных объектов.
Пористые TPMS-стопы не требуют сложной модернизации всей ноги и поэтому подходят для установки на существующие платформы. В сочетании с обученным контроллером конструкция может увеличить время работы четвероногих роботов, которые осматривают предприятия, перевозят грузы, патрулируют помещения или ищут людей в опасных зонах.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Четвероногие роботы уверенно преодолевают лестницы, камни и завалы, но расплачиваются за проходимость высоким расходом энергии. Каждый шаг требует поднять ногу, перенести её вперёд, погасить удар о поверхность и снова оттолкнуться. Корейские инженеры предложили частично вернуть потерянную энергию с помощью мягких пористых стоп, напечатанных на 3D-принтере . Контроллер на основе глубокого обучения научился подстраивать походку под их деформацию и сократил потребление энергии от аккумулятора на 1,4–6,2% при скорости от 0,4 до 1 м/с.
Колёсная машина большую часть времени катится вперёд и тратит сравнительно мало энергии на поддержание движения по ровной поверхности. Шагающему роботу приходится постоянно разгонять и тормозить ноги, удерживать корпус и компенсировать толчки при каждом контакте с землёй. Дополнительные потери возникают в электродвигателях, редукторах и сочленениях. Высокий расход ограничивает продолжительность автономной работы и уменьшает расстояние, которое робот может пройти без подзарядки.
Инженеры давно пытаются использовать пружины и другие упругие элементы. При приземлении стопы пружина сжимается и накапливает часть энергии удара, а при отталкивании разжимается и помогает двигателю. Похожий принцип работает в сухожилиях животных и эластичных элементах спортивной обуви.
Обычная пружина приносит пользу только при правильном согласовании с движением ноги. На небольшой скорости накопленная энергия часто возвращается не в тот момент или уходит на внутреннее трение и колебания. Слишком жёсткий элемент почти не деформируется, а чрезмерно мягкий заставляет робота сильнее корректировать положение корпуса. Вместо экономии моторы начинают тратить дополнительную энергию на стабилизацию.
Новая конструкция переносит упругий элемент непосредственно в стопу. Полусферическая накладка сжимается при контакте с землёй, поглощает часть удара, а затем восстанавливает форму во время отталкивания. Отдельные пружины в ногах не нужны, поэтому механизм остаётся сравнительно простым и не требует переделывать суставы серийного робота.
Внутри стопы находится трёхмерная пористая структура на основе трижды периодической минимальной поверхности, или TPMS. Математическая поверхность непрерывно повторяется по трём пространственным направлениям и разделяет объём на взаимосвязанные каналы. В идеальной модели средняя кривизна в каждой точке равна нулю. При изготовлении поверхность получает толщину и превращается в лёгкий каркас со сложной геометрией.
TPMS-структуры отличаются от привычных решёток из прямых балок. Плавные изгибы распределяют нагрузку по большой площади и уменьшают концентрацию напряжений в узлах. Материал сочетает небольшую массу, управляемую жёсткость и способность поглощать механическую энергию. Аналогичные структуры применяют в безвоздушных шинах, амортизирующих деталях, мягких захватах и роботизированных суставах.
Исследователи спроектировали три варианта полусферической стопы: primitive, gyroid и diamond. Каждый вариант образует собственную сеть каналов и по-разному сопротивляется сжатию.
Стопы изготовили методом 3D-печати и испытали под нагрузкой. Во время сжатия измеряли силу, величину деформации, объём поглощённой энергии и долю, которая возвращалась после снятия давления. Разница между накопленной и отданной энергией показывала потери внутри материала.
Лучшие результаты дала алмазная структура с относительной плотностью 60%. Относительная плотность показывает, какую долю от массы сплошной детали того же размера содержит пористый образец. Значение 60% означает, что каркас занимает около трёх пятых доступного объёма материала, а остальная часть приходится на поры.
Выбранная стопа достаточно сильно деформировалась при ударе, поглощала значительную часть механической энергии и теряла сравнительно мало при восстановлении формы. Более жёсткая конструкция хуже работала бы как амортизатор, а слишком податливая могла нарушить устойчивость шага.
Одной замены стоп оказалось недостаточно. Стандартный алгоритм управления рассчитан на твёрдый контакт с поверхностью и воспринимает дополнительное сжатие как отклонение, которое нужно немедленно исправить. Моторы в таком случае противодействуют полезной деформации и расходуют часть энергии, накопленной в пористом элементе.
Чтобы согласовать походку с механикой стоп, инженеры применили глубокое обучение с подкреплением. При таком подходе контроллер многократно пробует разные движения в моделируемой среде и получает оценку за результат. Алгоритм постепенно выбирает действия, которые помогают сохранять устойчивость, поддерживать заданную скорость и тратить меньше энергии.
В модель включили сжатие и обратное расширение TPMS-стоп. Контроллер учитывал, как меняется положение корпуса после контакта с землёй, сколько энергии потребляют приводы и в какой момент упругая накладка возвращает накопленный импульс. Обучение позволило синхронизировать движение суставов с работой пористой структуры.
Во время приземления робот разрешал стопе сжаться и погасить часть удара, а при переносе веса использовал обратную деформацию для отталкивания. Моторы реже выполняли лишние корректирующие движения и развивали меньший момент там, где часть работы могла выполнить сама конструкция.
После обучения контроллер перенесли на серийного четвероногого робота с оптимизированными стопами. Машину проверяли при ходьбе со скоростью 0,4, 0,6, 0,8 и 1 м/с, что соответствует примерно 1,4–3,6 км/ч. Результаты сравнивали с обычными сплошными опорами.
Пористые накладки уменьшили потребление энергии от аккумулятора во всём исследованном диапазоне. Экономия зависела от скорости и достигла 6,2% в наиболее удачном режиме. Минимальное снижение составило 1,4%. Робот при этом сохранял устойчивую походку и не тратил полученную выгоду на постоянное исправление положения корпуса.
Разница в несколько процентов может заметно повлиять на практическую работу мобильной платформы. Запас аккумулятора у четвероногого робота расходуется не только на движение, но и на камеры, лидары, связь и вычислительную систему. Снижение нагрузки на приводы оставляет больше энергии для полезного оборудования или позволяет дольше выполнять задание без возвращения к зарядной станции.
Мягкая стопа также уменьшает резкость контакта с полом. Более плавный удар способен снизить шум при ходьбе и механическую нагрузку на детали ног. Для роботов, работающих в помещениях, больницах, складах или офисах, громкий стук и вибрации создают отдельную проблему.
Разработанная конструкция не превращает четвероногую машину в столь же экономичную платформу, как колёсный робот. Ноги по-прежнему требуют больше энергии на ровной дороге. Преимущество шагающих систем заключается в способности проходить там, где колёса теряют контакт или упираются в препятствие..
Дальнейшие испытания потребуются на неровном грунте, склонах, лестницах и покрытиях с разным коэффициентом сцепления. Песок, гравий и мягкая почва меняют характер деформации и могут уменьшить эффект, полученный на контролируемой поверхности. Инженерам также предстоит проверить износ напечатанного материала после длительной ходьбы и определить, как свойства стоп меняются при тысячах циклов сжатия.
Концепция допускает настройку под разные задачи. Геометрию, относительную плотность, толщину стенок и материал можно менять в зависимости от массы робота, скорости и поверхности. Более мягкая стопа подойдёт для тихого движения в помещении, а жёсткая конструкция сможет выдерживать тяжёлый груз при инспекции промышленных объектов.
Пористые TPMS-стопы не требуют сложной модернизации всей ноги и поэтому подходят для установки на существующие платформы. В сочетании с обученным контроллером конструкция может увеличить время работы четвероногих роботов, которые осматривают предприятия, перевозят грузы, патрулируют помещения или ищут людей в опасных зонах.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
