Роботы Диснея используют ракеты, чтобы приземлиться

Трудно придумать более драматичный способ появиться, чем падение с неба. Хотя на киноэкранах такое случается достаточно часто, возможно ли это сделать в реальной жизни, это дразнящая задача для нашего развлечения. робототехника команда Disney Research.

---

Падать сложно по двум причинам. Первым и наиболее очевидным является то, что Дуглас Адамс назвал «внезапной остановкой в ​​конце». Каждая секунда свободного падения означает еще одну скорость на 9,8 м/с, и это может быстро привести к чрезвычайно сложной проблеме рассеивания энергии. Еще одна сложность падения, особенно для наземных животных, таких как мы, заключается в том, что наши обычные методы контроля ориентации исчезают. Мы привыкли полагаться на контактные силы между нашим телом и окружающей средой, чтобы контролировать, в какую сторону мы указываем. В воздухе не на что толкать, кроме самого воздуха!

Поиск решения этих проблем является большой, открытой задачей. В ролике ниже вы можете увидеть один из подходов, который мы использовали, чтобы начать работу над ним.

На видео показан небольшой робот, похожий на палку, с четырьмя вентиляторами, прикрепленными к его верху. У робота есть поршневая ножка, которая поглощает удары при небольшом падении, а канальные вентиляторы удерживают робота в вертикальном положении, противодействуя любому наклонному движению с помощью аэродинамической тяги.

Рафаэль Пилон [left] и Марсела де лос Риос оценивают работу робота-балансировщика монопода.Дисней Исследования

Стоячая часть демонстрирует, что отталкивание в воздухе полезно не только во время свободного падения. Обычные шагающие и прыгающие роботы зависят от сил контакта с землей, чтобы поддерживать необходимую ориентацию. Эти силы могут быстро возрастать из-за жесткости системы, что требует стратегий управления с высокой пропускной способностью. Аэродинамические силы относительно мягкие, но даже в этом случае их было достаточно, чтобы удержать наших роботов на ногах. А поскольку эти силы также могут применяться на этапе полета, бега или прыжков, этот подход может привести к тому, что роботы начнут бежать раньше, чем начнут ходить. Беговую походку определяет наличие «фазы полета» — времени, когда ни одна из стоп не касается земли. Бегущий робот с полномочиями аэродинамического управления потенциально может использовать походку с длинной фазой полета. Это перенесет бремя усилий по управлению на середину полета, упростив конструкцию ног и, возможно, сделав быстрое движение на двух ногах более управляемым, чем умеренный темп.

Ричард Лэндон использует испытательный стенд для оценки профиля тяги канального вентилятора.Дисней Исследования

В следующем видео робот чуть большего размера совершает гораздо более драматичное падение с высоты 65 футов. Эта простая машина имеет две поршневые ножки и такой же набор канальных вентиляторов наверху. Вентиляторы не только стабилизируют робота при приземлении, но и помогают ему правильно ориентироваться во время падения. Внутри каждой ножки находится заглушка из одноразового сжимаемого пенопласта. Разрушение пены при ударе обеспечивает хороший, постоянный профиль силы, который максимизирует количество энергии, рассеиваемой на дюйм сжатия.

В случае с этим маленьким роботом рассеивание механической энергии в поршнях меньше, чем общая энергия, необходимая для рассеивания при падении, поэтому остальная часть механизма подвергается довольно сильному удару. Размер робота в данном случае является преимуществом, поскольку законы масштабирования означают, что соотношение прочности и веса в его пользу.

Прочность компонента зависит от площади его поперечного сечения, а вес компонента является функцией его объема. Площадь пропорциональна длине в квадрате, а объём пропорционален длине в кубе. Это означает, что по мере того, как объект становится меньше, его вес становится относительно небольшим. Вот почему малыш может быть вдвое ниже взрослого, но весить лишь часть его веса, и почему муравьи и пауки могут бегать на длинных, тонких ногах. Наши крошечные роботы пользуются этим, но мы не можем останавливаться на достигнутом, если хотим изобразить некоторых из наших более крупных персонажей.

Луи Ламби и Майкл Линч собирают первую испытательную платформу для канальных вентиляторов. Платформа была установлена ​​на направляющих и использовалась для испытаний грузоподъемности.Дисней Исследования

В большинстве приложений воздушной робототехники управление обеспечивается системой, способной выдержать весь вес робота. В нашем случае возможность зависания не является необходимостью. В ролике ниже показано исследование того, какая тяга необходима для управления ориентацией довольно большого и тяжелого робота. Робот поддерживается на подвесе, что позволяет ему свободно вращаться. По краям установлены массивы канальных вентиляторов. Вентиляторам не хватает силы, чтобы удерживать раму в воздухе, но у них есть значительная власть над ориентацией.

У сложных роботов меньше шансов выжить невредимыми, когда они подвергаются чрезвычайно высоким ускорениям при прямом ударе о землю, как вы можете видеть в этом раннем тесте, который прошел не совсем по плану.

В этом последнем видео мы используем комбинацию предыдущих техник и добавляем еще одну возможность — эффектную остановку в воздухе. Канальные вентиляторы являются частью этого решения, но высокоскоростное замедление в основном достигается с помощью большой водяной ракеты. Тогда механическим ногам остается только выдержать последние десять футов ускорения падения.

Независимо от того, используется ли вода или ракетное топливо, принцип, лежащий в основе ракеты, один и тот же: масса выбрасывается из ракеты на высокой скорости, создавая силу реакции в противоположном направлении согласно третьему закону Ньютона. Чем выше скорость потока и чем плотнее жидкость, тем больше создается сила. Чтобы получить высокую скорость потока и быстрое время отклика, нам понадобилось широкое сопло, которое переходило от закрытого состояния к чистому открытию за считанные миллисекунды. Мы разработали систему, используя кусок медной фольги и специальный перфорационный механизм, который и выполнил эту задачу.

Грант Имахара создает давление в испытательном резервуаре, чтобы оценить ранний прототип клапана [left]. Водяная ракета в действии — обратите внимание на ламинарный поток шириной два дюйма, проходящий через специально разработанное сопло.Дисней Исследования

Как только водяная ракета остановит робота в воздухе, канальные вентиляторы смогут удерживать его в стабильном зависании на высоте примерно десяти футов над палубой. Когда они отключаются, робот снова падает, и ноги поглощают удар. На видео к роботу прикреплена пара свободных тросов в качестве меры предосторожности при тестировании, но они не обеспечивают никакой поддержки, силы или управления.

«Возможно, не так очевидно, для чего это можно напрямую использовать сегодня, но эти грубые эксперименты по проверке концепции показывают, что мы могли бы работать в рамках реальной физики, чтобы выполнять высокие падения, которые наши персонажи совершают на земле. большом экране, и когда-нибудь действительно приземлимся», — объясняет Тони Дохи, руководитель проекта.

Есть еще большое количество проблем, которые предстоит решить будущим проектам. У большинства персонажей ноги сгибаются на шарнирах, а не сжимаются, как поршни, и они не носят пояса из канальных вентиляторов. Помимо вопросов упаковки и формы, обеспечение того, чтобы робот приземлился именно там, где он намеревается приземлиться, имеет интересные последствия для восприятия и управления. Тем не менее, мы думаем, что можем подтвердить, что такой вход имеет – извините за каламбур – весьма сильное воздействие.