Argus: предельная динамическая симметрия как основа для создания всенаправленных и многофункциональных роботов

Исследователи из Университета Дьюка представили новый подход к проектированию мобильных роботов, основанный на концепции предельной динамической симметрии. В отличие от традиционного подхода, где основное внимание уделяется геометрической симметрии конструкции, авторы предлагают оценивать способность робота создавать одинаковые ускорения в любом направлении.

Теоретические основы
Большинство современных роботов обладают геометрической симметрией, однако это не гарантирует одинаковых динамических возможностей во всех направлениях. Например, типичный квадрокоптер имеет симметричную конструкцию, но способен мгновенно ускоряться только вдоль вертикальной оси, для движения вбок ему требуется наклониться, то есть изменить свое положение в пространстве.

Для количественной оценки динамической симметрии исследователи ввели показатель динамической изотропии η, который определяется как отношение минимального достижимого ускорения к максимальному среди всех возможных направлений движения. Чем ближе значение η к единице, тем более равномерно робот способен ускоряться в пространстве. Проведенное моделирование показало, что повышение динамической изотропии приводит к улучшению устойчивости, точности движения, энергоэффективности и устойчивости к отказам исполнительных механизмов робота.

Конструкция
Конструкция Argus представляет собой сферический каркас с радиально расположенными линейными приводами, направленными к центру масс. Учеными было исследовано более 1500 вариантов конструкции с количеством приводов от 6 до 40. Значение динамической изотропии при этом изменялось от 0,32 до 0,97. Наибольший прирост характеристик достигается при увеличении числа приводов до 16–22. Дальнейшее усложнение конструкции приводит к значительно меньшему улучшению характеристик.

Физический прототип Argus оснащен 20 линейными приводами, распределенными по вершинам правильного додекаэдра. Масса робота - 23.4кг, η - 0.91. Каждый привод развивает усилие до 375 Н. На концах приводов установлены двадцать ToF-камер для кругового восприятия окружающей среды.

Результаты экспериментов
• Робот способен перемещаться по бетону, траве, песку и скользким покрытиям без дообучения.
• На препятствиях высотой 12 см успешность преодоления составила 83,3%.
• В симуляции робот перевозил груз 40 кг (170% собственной массы), сохраняя 68,4% скорости. В физическом эксперименте асимметричный груз 4,5 кг снизил скорость лишь до 96,3% от заданной.
• При отключении двух приводов сохраняется 95% скорости, при отключении четырёх приводов — 85% скорости.
• В условиях лунной гравитации робот способен лазать между двумя параллельными стенами. В симуляции средняя скорость подъема составила 0.258 м/с при успешности 85.5%, в физическом эксперименте - 0.238 м/с.
•Двадцать ToF-камер строят единое облако точек. В симуляции робот отслеживал тестовый куб (1 м³) с успешностью 89,9% (ошибка скорости 0,167±0,120 м/с) и толкал его с успешностью 91,5% (ошибка направления 0,256±0,207 рад за 10 с). В реальности успешность упала до 36,8% и 39,4% из-за теплового дрейфа и рассинхронизации камер.

Перспективы применения и ограничения
По мнению исследователей, разработанная концепция может применяться в поисково-спасательных операциях, инспекции промышленных объектов, исследовании труднодоступных территорий и космических миссиях на Луне. Высокая отказоустойчивость (сохранение подвижности при отказе нескольких приводов) особенно важна для автономных систем, работающих вдали от сервисной инфраструктуры.

Основными ограничениями робота на данный момент являются высокая сложность конструкции, увеличивающая стоимость и массу, а также снижение эффективности компьютерного зрения на физическом прототипе из-за теплового дрейфа ToF-камер. Тем не менее, предельная динамическая симметрия может стать новым направлением развития робототехники, где динамические свойства рассматриваются как фундаментальный принцип проектирования мобильных роботов.

Полная научная статья доступна на arXiv.