За редким исключением (см. выше), современные двуногие или четвероногие роботы не способны на энергичные динамичные движения. Роботы-гуманоиды почти никогда не умеют бегать и прыгать, а четвероногие роботы только недавно освоили базовые навыки динамических передвижений. А ведь это очень важный навык для любого робота, который перемещается по пересечённой местности и преодолевает препятствия. Получается, что для них остаются недоступными больше половины земной суши. Они просто не могут туда попасть. Это серьёзно ограничивает сферу применения роботов, ведь они должны быть вездесущими.

Некоторые из существующих роботов, способных на энергичные движения ногами: 1) Boston Dynamics SpotMini; 2) UPenn/Ghost Robotics Minitaur; 3) ATRIAS; 4) RHex и Canid; 5) StarlETH; 6) Boston Dynamics Spot; 7) MIT Cheetah; 8) Boston Dynamics Atlas. Иллюстрация: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Как видно на иллюстрации, инженеры до сих пор не могут определиться, какая конструкция ног будет наиболее эффективной для робота. Предлагаются разные варианты. На фотографиях показаны роботы с разным строением ноги: прямая нога (prismatic), сочленённая (series articulated), избыточно сочленённая (redundantly articulated) и плоская параллельная (parallel planar).

Типичные строения ноги у существующих роботов. Слева направо сверху вниз: Raibert, BDI Spot, MIT Cheetah, Boston Dynamics Big Dog, Penn/Ghost Robotics Minitaur, ATRIAS, GOAT. Иллюстрация: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Студент Университета Карнеги-Меллона Саймон Калуче (Simon Kalouche) предложил новый тип конструкции ноги для прыгающего робота: пространственно-параллельную конструкцию (parallel spatial на схеме). Студент также изготовил действующий прототип такой ноги, которую описал в свой дипломной работе (pdf).

CAD-рендеринг робота с четырьмя ногами GOAT. Изображение: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Конструкция ноги получила название GOAT, что означает «Gearless Omni-directional Acceleration-vectoring Topology». В дипломной работе Саймон Калуче объясняет, что в живой природе есть примеры млекопитающих, которые отличаются невероятной прыгучестью. В частности, это снежная коза Oreamnos americanus, способная передвигаться по пересечённой местности, перепрыгивать пропасти, скакать со скалы на скалу. Это животное дало автору вдохновение для создания роботизированной ноги, хотя конструкция ноги GOAT имеет мало общего с ногой реального животного. Но в идеале, роботы в будущем должны обладать такой же фантастической подвижностью, как снежная коза.

Снежная коза прыгает по скалам. Фото: W.Wayne Lockwood, M.D./Corbis, Britannica

Пространственно-параллельная конструкция ноги GOAT обеспечивает «проворную ходьбу, бег и, самое главное, взрывные прыжки в любом направлении и активное мягкое приземление», пишет автор. Он согласен, что по скорости бега робот с такими ногами не сможет конкурировать с известным роботом-гепардом Cheetah от инженеров Boston Dynamics и Массачусетского технологического института, но зато GOAT имеет преимущество перед Cheetah по по манёвренности. Он гораздо лучше подходит для передвижения прыжками, например, по завалам в зоне стихийного бедствия или техногенной катастрофы, на поле боя, в сложных природных условиях. Такой робот может перепрыгивать довольно высокие преграды, заборы, стены, взбираться по подъёмам даже с предельным для человека углом подъёма более 45°. Грубо говоря, он уступает Cheetah по скорости движения в 1D, но выигрывает во всех измерениях 3D.

Робот GOAT способен преодолевать другие препятствия, которые встречаются на пути: расщелины, пещеры, ямы, рвы, окопы. На видео показано, что конструкция робота предусматривает мягкую посадку и сохранение равновесия даже после самого высокого прыжка.

Испытания ноги GOAT с разными настройками

В конструкции GOAT используется привод T-Motor U10 с одноступенчатой планетарной передачей Matex 75–7MLD 7:1.

В дипломной работе автор сравнивает разные типы моторов. В таблице приведены результаты тестирования четырёх типов приводов: безредукторный электропривод T-Motor (DD, direct drive), электропривод T-Motor с одной планетарной передачей (QDD, quasi-direct-drive), электропривод T-Motor с двумя планетарными передачами (GM, gear motor), а также электропривод Hebi X-5 SEA.

Все четыре типа приводов показаны на фотографиях, слева направо: DD, QDD, GM и SEA.

Автор говорит, что у каждого электропривода есть свои недостатки, поэтому пришлось идти на компромисс. Он объясняет, почему выбрал именно электропривод с одной планетарной передачей — он наиболее оптимально вписывается в конструкцию GOAT.

Конструкция сустава «ноги» GOAT состоит из трёх деталей с пересекающимися осями. Моделирование в Solidworks FEA показало, что на такой сустав оказывается давление до 123 psi в его нижней части. Поэтому данный компонент следует изготовлять из высокоуглеродистой стали с пределом текучести 125 psi, в то время как большинство остальных деталей можно изготовлять из алюминия 7075 с пределом текучести 73 psi.

Во время тестирования ноги GOAT была достигнута высота прыжка 82 см, что более чем в два раза превышает высоту самой конструкции.

Пока что Саймон Калуче изготовил только прототип одной ноги GOAT для диссертации. В будущем он планирует продолжить работу над роботом. Возможно, совместно с инженерами из других научно-исследовательких центров или частных компаний получится изготовить полноценного четырёхногого робота, который действительно будет проворно передвигаться по пересечённой местности. Или кто-нибудь изготовит такого робота раньше, чем автор, ведь его диссертация со всеми выкладками лежит в открытом доступе, разве что CAD-файлов не хватает. Но можно попробовать повторить эту работу.