Смертоносное комбо: робот RAVEN получил всё лучшее от птиц, дронов и самолётов

Большинство уже известных дронов — это квадрокоптеры с винтами, которые успешно приземляются и взлетают практически в любом месте. Проблема в том, что их энергоэффективность ниже, чем у самолётов, которые гораздо дольше остаются в воздухе. Однако самолётам, чтобы оторваться от земли, необходима взлётно-посадочная полоса либо специальная пусковая установка.


Чтобы преодолеть эти ограничения и несовершенства, швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны создали летающего робота с неподвижным крылом под названием RAVEN.

Название звучит и выглядит как английское слово «ворон», но заглавные буквы указывают на сокращение. Полное название Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments можно перевести как «вдохновлённый птицами роботизированный транспорт для различных сред». Вместо колёсных шасси — пара роботизированных лап. Главный инженер проекта Вон Дон Шин подчеркнул, что RAVEN может ходить, перепрыгивать через препятствия и взлетать, как настоящие птицы.

Против идеи приделать дронам лапы было два веских довода: рост массы и усложнение конструкции. Громоздкие и тяжёлые ноги современных роботов не подходили в принципе, так как задумывались для наземных устройств. Поэтому Шин с сотрудниками начали свой проект с изучения вопроса о массе ног у разных видов птиц.

Оказалось, что у пернатых соотношение массы нижних конечностей к их весу в целом пропорционально росту. (Кстати, понятие «птичьи лапы» не подразумевают всей нижней конечности, которая состоит у пернатых из пяти основных элементов, начиная от бедра и заканчивая пальцами, поэтому позволим себе здесь употреблять слово «ноги»). В общем, инженеры выяснили, что у ворона ноги весят около 100 г, что и взяли за точку отсчёта.

Роботизированные ноги, созданные группой Шина, очень похожи на настоящие птичьи. Для снижения веса пришлось пойти на упрощения: исключили суставы коленей и пальцев. В результате получилась конечность всего из двух сегментов, 64% веса которой пришлось на тазобедренный сустав.

Весь механизм приводит в движение носовой пропеллер, причём типичный, как у коптера. А вот голеностоп двигается с помощью системы шкивов и зубчатого ремня. Роботизированная нога заканчивается ступнёй с тремя пальцами, направленными вперёд, а один глядит назад.



Однако конструкторы не только упрощали строение. От птиц взяли идею сложных конструктивных особенностей.

Шин встроил торсионную (спиральную) пружину в голеностопный сустав. Сгибаясь, нога робота накапливает энергию в пружине, а при выпрямлении пружина в сочетании с двигателем повышает скорость прыжка на целую четверть.


— Шин.

В итоге роботизированные ноги весили около 230 г, намного больше, чем у среднестститического ворона. Но и этого хватило, чтобы RAVEN мог ходить, прыгать, подниматься в воздух и летать.

Инженеры рассчитали необходимую скорость взлёта для двух птиц — с массой тела 490 г и чуть более 780 г: 1,85 м и 3,21 м в секунду соответственно. Исходя из этого, Шин подсчитал, что роботу «Ворон» для взлёта необходима скорость 2,5 м/с. При манере взлёта, как у птиц, он мог бы достичь этой скорости всего за 0,17 с. Два других подхода включали сброс с возвышенности, по типу мотодельтаплана, либо отрыв от земли за счёт винтов, как у коптера.



Под энергоэффективностью создатели понимали соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии. Вырабатываемая энергия — это кинетическая и потенциальная энергия в момент взлёта, когда ноги перестают касаться земли. Потребляемая энергия рассчитывалась путём измерения мощности, используемой во время взлёта. В итоге выяснилось, что взлетать по-птичьи — выгоднее всего!


— Шин.

Затраты энергии при взлёте с помощью прыжка были немного выше, чем при использовании двух других стратегий, но несущественными образом. Для этого требовалось на 6,9% больше энергии, чем при взлёте со сбрасыванием вниз, и на 7,9% больше, чем при взлёте с места. Но в смысле затрат энергии «припрыжка» обеспечивала куда более высокое ускорение за счёт отдачи. В целом, прыжок с помощью «птичьих ног» был в 9,7 раз эффективнее, чем взлёт с места, и в 4,9 раза эффективнее, чем при полёте после сброса с возвышенности.

Чтобы доказать универсальность летающего робота с ногами, команда Шина поставила перед ним ряд задач, невыполнимых для типичного дрона. Так, RAVEN должен был пройти через помещение с низким потолком, перепрыгнуть через проём и заскочить на препятствие. В задранном положении, то есть касаясь хвостом земли, робот мог устойчиво ходить даже без контроллеров (устройств управления).

Ходьба решила проблему передвижения под низкими сводами. Для перепрыгивания через проёмы и препятствия пригодился тот же механизм, что и для взлёта: торсионные пружины и приводы. RAVEN мог перепрыгнуть через проём шириной 11 см и через препятствие высотой 26 см.

Но Шин признал, что потрудиться над «Вороном» предстоит ещё много, прежде чем новинка станет по-настоящему примечательной. Так, робот пока что не может преодолеть все препятствия за один раз — под каждую задачу его надо перепрограммировать по отдельности.

Проблема в том, что система управления ещё не адаптивна. Это означает, что приводы в ногах следуют заранее заданным алгоритмам движений, чтобы направить робота по траектории, которую инженеры рассчитали с помощью компьютерного моделирования. В общем, встретив на пути незапланированное препятствие, нынешний RAVEN в него врежется.

Другая проблема — RAVEN не может приземляться на ноги. Вот почему инженеры хотят встроить несколько датчиков, как для восприятия картинки, так и тактильные. Благодаря им «Ворон» будет в точности знать, где именно место посадки.

Ещё одна модификация, которая появится у несовершенной концепции — это складные крылья, чтобы робот мог протискиваться в узкие пространства. К тому же машущие крылья очень важны и для посадки, потому что птицы замедляют полёт в первую очередь за счёт них.


— Шин.

Разработчики утверждают, что готовят своё детище для участия в поисково-спасательных операциях. Идея состоит в том, что летающие роботы с ногами смогут быстро добираться до пострадавших от стихийных бедствий: приземляться, при необходимости преодолевать сложный рельеф пешком, а затем взлетать, как птицы.

Ещё одно возможное применение — доставка посылок. В Швейцарии инженеры часто видели, как вертолёты доставляют почту живущим высоко в горах. Дрон, похожий на птицу, мог бы делать это гораздо дешевле.

Успехи робототехники вызывают и восхищение, и тревогу. Причём пугающий аспект не зависит от создателей новинки. Когда «Ворон» будет уже близок к совершенству, купившие его сами будут решать, что доставлять — почту, еду или боеприпасы.