Пористые и пневматические стопы повышают автономность и устойчивость ходячих роботов
Новые подходы к амортизации и адаптации стоп
Инженеры из Кореи, Японии и Франции независимо представили разработки, меняющие принцип взаимодействия ходячих роботов с поверхностью. В Сеульском национальном университете науки и технологий создали пористые стопы на базе TPMS-структур, печатаемые на 3D-принтере, а в совместной лаборатории AIST-CNRS разработали пневматические стопы с регулируемой жесткостью для гуманоидного робота. Оба решения направлены на снижение энергопотребления, уменьшение ударных нагрузок и повышение устойчивости на сложных поверхностях. [изображение | Пористая стопа четвероногого робота RBQ-10 с TPMS-структурой]
Корейские пористые стопы: пассивная рекуперация энергии
Команда Сеульского национального университета науки и технологий предложила заменить обычные резиновые наконечники ног четвероногих роботов на полусферические накладки с внутренней пористой структурой. Изготовленные методом 3D-печати стопы основаны на трижды периодических минимальных поверхностях (TPMS) — математических моделях, непрерывно повторяющихся в трёх пространственных направлениях и разделяющих объём на взаимосвязанные каналы. В идеальной модели средняя кривизна в каждой точке равна нулю, что обеспечивает плавное распределение нагрузок.
Исследователи спроектировали и протестировали три варианта геометрии: primitive, gyroid и diamond. Лучшие результаты показала алмазная структура (diamond) с относительной плотностью 60% — это означает, что каркас занимает около трёх пятых доступного объёма, а остальное приходится на поры. При ударе такая стопа достаточно сильно деформируется, поглощает значительную часть механической энергии и теряет мало при восстановлении формы.
Однако одной замены стоп оказалось недостаточно. Стандартный алгоритм управления воспринимает дополнительное сжатие как отклонение, которое нужно исправить, заставляя моторы противодействовать полезной деформации. Для согласования походки с механикой стоп инженеры применили глубокое обучение с подкреплением: контроллер многократно пробовал разные движения в симуляции и получал оценку за результат.
Испытания на коммерческом четвероногом роботе RBQ-10 показали снижение энергопотребления на 1,4–6,2% в зависимости от скорости движения (от 0,4 до 1 м/с) без ухудшения устойчивости. По словам авторов, технология позволит увеличить автономность роботов, при этом конструкция окажется проще и дешевле традиционных решений с пружинными механизмами. 
Японско-французские пневматические стопы: активная адаптация за 100 мс
В лаборатории AIST-CNRS под руководством Ирен Фриццы выбрали иной путь — активное изменение жесткости стопы в реальном времени. Разработанная мягкая пневматическая стопа для гуманоидного робота HRP-4CR способна переключаться от мягкого состояния к жесткому менее чем за 100 миллисекунд. Стопу имеет трёхслойную структуру: верхний и нижний слои из силикона Ecoflex с встроенными воздушными камерами, разделенными нерастяжимым нейлоновым слоем. При накачке обеих камер создаются противоположные силы относительно среднего слоя, увеличивающие сопротивление изгибу — по принципу работы мышц-антагонистов в человеческой стопе.
Внутри силиконовых слоев расположены полые алюминиевые элементы, выполняющие роль скелета, а стопа разделена на пять сегментов, имитирующих пальцы. Для дополнительной прочности подошва обмотана кевларовым волокном, что увеличило жесткость более чем на 40%.
Для распознавания рельефа на передней части каждой стопы установлена камера глубины Intel RealSense. Камеры сканируют поверхность во время фазы переноса ноги, строя профиль высот. Параметры передаются в классификатор на основе метода k ближайших соседей, обученный на шести тысячах симулированных сценариев ходьбы. Информация используется для подбора давления воздуха, регулируемого тремя электромагнитными клапанами. Вся цепочка от захвата кадра до установки давления занимает около 130 миллисекунд, укладываясь в 300-миллисекундное окно фазы переноса ноги. Средняя мощность пневматической системы составляет менее трёх ватт на стопу — меньше двух процентов от общего энергопотребления робота. 
Результаты испытаний и перспективы
В экспериментах робот HRP-4CR проходил дистанцию в два метра по гладкому полу, ковру и ковру с разбросанными кабелями. Адаптивные стопы показали лучшие результаты по всем метрикам по сравнению с жесткими и пассивными мягкими стопами. Боковое отклонение траектории центра масс сократилось с 12 до трёх сантиметров, а пиковые силы удара при контакте с землей снизились с 600 до менее чем 500 ньютонов. Улучшение баланса достигалось исключительно за счет адаптации стоп, без изменений в контроллере ходьбы.
Дополнительное моделирование в симуляторе MuJoCo на сложных поверхностях — камнях, черепице, кирпичной кладке и мелком щебне — подтвердило, что адаптивные стопы позволяют роботу успешно преодолевать препятствия высотой до 25 миллиметров и показывают на 70% более высокий уровень успеха при прохождении сложных маршрутов.
Пока система протестирована только в лабораторных условиях, работоспособность на открытом воздухе и при плохом освещении не проверялась. Авторы планируют дополнить камеры тактильной обратной связью от самой подошвы. Корейская команда также продолжает работу над оптимизацией TPMS-структур и алгоритмов управления для дальнейшего снижения энергопотребления четвероногих платформ.