Инженеры SNUST создали пористые стопы для робопсов — они экономят до 6,2% энергии при ходьбе

Инженеры Сеульского национального университета науки и технологий (Seoul National University of Science & Technology) разработали для четвероногих роботов пористые полусферические стопы, способные запасать энергию удара о землю и возвращать её при следующем шаге. Новая конструкция решает проблему неэффективности классических пружин и амортизаторов на малых скоростях — именно так движутся робопсы-инспекторы.

Принцип работы: рекуперация механической энергии

Обычные пружины и амортизаторы эффективны только при быстром шаге. Для неспешно движущегося робота-инспектора потребовались иные механизмы рекуперации энергии. Предложенные учёными стопы имеют форму полусферы и напечатаны из упругого полимера в виде так называемой трижды периодической минимальной поверхности (TPMS). Это непрерывная трёхмерная решётка из повторяющихся пор и перегородок, которая сочетает малую массу, управляемую жёсткость и способность поглощать и высвобождать накопленную механическую энергию.

Три варианта геометрии и лучший результат

Исследователи испытали три структуры внутренней решётки:

• простую;
• гироидную;
• ромбовидную.

Наилучшие характеристики показала ромбовидная решётка с относительной плотностью 60 %. Она достаточно сильно деформируется, запасает много энергии и теряет сравнительно мало энергии из-за внутреннего трения материала.

Умный контроллер для согласования походки

Одних упругих оконечностей лап оказалось недостаточно: при неправильной походке запасённая энергия рассеивается или вызывает раскачивание корпуса робота, заставляя электродвигатели дополнительно корректировать его положение. Поэтому инженеры обучили контроллер методом глубокого обучения с подкреплением. В модель включили деформацию и обратное распрямление TPMS-структуры, а функция вознаграждения поощряла такие движения, при которых работа приводов согласовывалась с накоплением и высвобождением упругой энергии в момент контакта с поверхностью.

Испытания на роботе RBQ-10

Систему проверили на четвероногом роботе RBQ-10, сравнив новые стопы с обычными сплошными полусферическими опорами. Робот сохранил устойчивость во всём исследованном диапазоне скоростей, одновременно уменьшив среднюю мощность, потребляемую от аккумулятора. В количественном выражении это выразилось в снижении энергопотребления на 1,4–6,2 % при скорости движения от 0,4 до 1 м/с.

Перспективы применения

Разработка предназначена для роботов, используемых при инспекциях, перевозке грузов и поисково-спасательных операциях, для которых увеличение времени автономной работы критически важно. Источник исследования опубликован на портале EurekAlert.org.