Всеволод Чабанець
Дослідники з Інституту робототехніки та штучного інтелекту (Robotics and AI Institute, RAI Institute) розробили Ultra Mobility Vehicle (UMV) — робота на основі велосипеда, призначеного для поєднання швидкого пересування на колесах із маневровістю крокуючих машин. Незвичайна роботизована платформа здатна не лише їхати вперед або повертати на обмеженому просторі, а й виконувати складні динамічні рухи: стрибати, робити сальто та рухатися на задньому колесі.
UMV привертає увагу тим, що його конструкція суттєво відрізняється від традиційних колісних роботів. Замість чотирьох або шести коліс інженери використали велосипедну схему, яка дає змогу зменшити масу та підвищити швидкість пересування. Водночас робот має складну систему стабілізації, завдяки якій може зберігати рівновагу під час різкого прискорення, приземлення після стрибка чи зміни положення корпусу.
Як працює робот-велосипед UMV
Основою Ultra Mobility Vehicle є компактна рама з двома колесами та приводами, що відповідають за рух і баланс. Для звичайного велосипеда утримання рівноваги значною мірою залежить від дій людини, але робот має виконувати цю функцію автономно. Для цього система постійно аналізує власне положення, швидкість, кут нахилу та особливості поверхні, після чого коригує роботу двигунів і механізмів керування.
Саме здатність швидко реагувати на зміни є ключовою перевагою UMV. Під час руху на двох колесах робот повинен підтримувати баланс у реальному часі. Навіть невелика похибка може призвести до падіння, особливо коли платформа долає нерівність, заїжджає на схил або приземляється після стрибка. Алгоритми керування дають змогу прогнозувати поведінку машини та заздалегідь змінювати положення її корпусу.
За своїми можливостями робот-велосипед намагається поєднати два, на перший погляд, несумісні підходи. Колісні машини зазвичай швидші та ефективніші на рівній поверхні, однак можуть мати труднощі з перешкодами. Крокуючі роботи, навпаки, краще пристосовані до складного рельєфу, але часто рухаються повільніше й витрачають більше енергії. UMV використовує переваги колісного руху, зберігаючи здатність виконувати активні маневри, які допомагають долати перешкоди.
Під час демонстрацій робот показує, що може піднімати передню частину, їхати на задньому колесі та повертатися в такому положенні. Такі рухи потребують точного розподілу ваги й синхронної роботи кількох приводів. Система повинна не тільки виконати команду, а й контролювати момент, коли потрібно повернутися до стандартної позиції, щоб не втратити стабільність.
Стрибки, сальто та рух на задньому колесі
Найбільш ефектною особливістю UMV є здатність виконувати стрибки. Робот може підготуватися до відриву від поверхні, швидко змінити положення рами, а потім скоригувати траєкторію в повітрі. Після цього він приземляється на колеса та продовжує рух. Для такого маневру необхідні точні розрахунки сили поштовху, кута нахилу й швидкості обертання коліс.
Ще складнішим випробуванням є сальто. У польоті робот має контролювати обертання навколо власної осі, а перед приземленням — зайняти правильне положення. Будь-яка помилка в розрахунках може вплинути на кут посадки або спричинити перекидання. Демонстрація такого трюку свідчить про високий рівень синхронізації між механічними компонентами, сенсорами та програмним забезпеченням.
Їзда на задньому колесі також має практичне значення, а не є лише видовищним елементом. Підняття переднього колеса може допомогти роботу подолати невисоку перешкоду, піднятися на край платформи чи підготуватися до стрибка. У такому режимі система балансу працює особливо інтенсивно, адже центр ваги постійно змінюється, а площа контакту з поверхнею зменшується.
Важливо, що UMV не обмежується виконанням заздалегідь записаних рухів. Роботизовані платформи такого типу мають навчатися взаємодіяти з навколишнім середовищем і реагувати на непередбачувані ситуації. Якщо поверхня виявиться слизькою, нерівною або нахиленою, система повинна змінити параметри руху. Саме тому розробка динамічних роботів потребує поєднання механіки, комп’ютерного зору, теорії керування та штучного інтелекту.
Де можуть використовувати динамічних роботів
Потенційні сфери застосування Ultra Mobility Vehicle пов’язані з місцевістю, де звичайна техніка має обмеження. Швидкий і маневровий робот може бути корисним під час інспекції промислових об’єктів, перевірки будівельних майданчиків, роботи на пересіченій місцевості або доставки невеликих вантажів. Компактні розміри дають йому змогу працювати там, де великі колісні машини не можуть ефективно розвернутися.
У майбутньому подібні роботи можуть використовуватися для дистанційного обстеження небезпечних зон. Платформа здатна швидко переміщуватися, долати окремі перешкоди та передавати дані оператору. Це може бути важливо під час пошуково-рятувальних операцій, огляду пошкоджених споруд або роботи в умовах, небезпечних для людини.
Ще один напрям — автономна навігація. Робот-велосипед може стати випробувальним майданчиком для алгоритмів, які відповідають за баланс і прийняття рішень у складному середовищі. Такі технології потенційно можна адаптувати для інших видів роботів, включно з мобільними платформами для складів, безпілотними транспортними системами та машинами, призначеними для дослідження поверхонь планет.
Водночас до широкого практичного використання UMV ще потрібно розв’язати низку завдань. Серед них — підвищення надійності приводів, збільшення тривалості роботи від акумулятора, захист електроніки від пилу та вологи, а також безпечне виконання маневрів поблизу людей. Динамічні рухи створюють значні навантаження на раму, колеса й механізми, тому кожен компонент має витримувати повторювані удари та різкі зміни швидкості.
Розробка Ultra Mobility Vehicle демонструє, як робототехніка поступово відмовляється від поділу на повільні, але стійкі машини та швидкі, але менш маневрові платформи. Робот на основі велосипеда здатний поєднати швидкість, компактність і складну акробатичну рухливість. Стрибки, сальто та їзда на задньому колесі вказують на те, що майбутні роботи зможуть не лише пересуватися за визначеним маршрутом, а й активно взаємодіяти з перешкодами та змінювати спосіб руху відповідно до ситуації.