Итальянские инженеры успешно провели первые летные испытания летающего человекоподобного робота iRonCub 3. Он оснащен четырьмя компактными турбореактивными двигателями, два из которых встроены в руки вместо предплечий, а два закреплены на спине. В ходе эксперимента робот оторвался от земли и на несколько секунд завис в воздухе на высоте 50 сантиметров. Полетом управляет многоуровневая система, она оценивает положение робота в пространстве, контролирует тягу двигателей и движения суставов. Описание робота и системы управления доступно в препринте на arXiv.org и опубликовано в Communications Engineering.
Возможности современных человекоподобных роботов уже не ограничиваются только простой ходьбой. За последние несколько лет, благодаря прогрессу в области нейросетевых моделей и обучению с подкреплением, они осваивают все больше и больше новых движений и акробатических трюков, участвуют в забегах, учатся водить автомобиль, распознают команды на естественном языке и выполняют сложные многоступенчатые манипуляции с разнообразными предметами. Теперь ко всему этому разнообразию навыков добавился еще один – способность летать.
Разработкой летающего человекоподобного робота уже несколько лет занимаются инженеры из Итальянского технологического института в Генуе. Недавно эта команда под руководством Даниэле Пуччи (Daniele Pucci) представила третье поколение летающего андроида — iRonCub-Mk3. За основу взят созданный в этом же институте небольшой человекоподобный робот iCub3. На 70-килограммового робота установили четыре миниатюрных турбореактивных двигателя JetCat P250 Pro, два из которых находятся на кронштейнах за спиной и отвечают за основную подъемную силу. Еще два закреплены вместо предплечий и используются для стабилизации и маневрирования. Суммарно двигатели создают тягу более 1000 ньютонов. Чтобы выдержать такие нагрузки и температуру реактивной струи, достигающую 800 градусов Цельсия, инженеры заменили позвоночник робота на титановый и покрыли ноги термостойким аэрогелем.
Для управления полетом разработан многоуровневый алгоритм. Его ядром служат три модуля: оценка тяги, оценка положения тела и контроллер полета. Оценка тяги реализована с помощью фильтра Калмана. Он обрабатывает данные с датчиков силы, установленных на руках и ранце, и сопоставляет их с динамической моделью реактивных двигателей. Для определения положения робота в пространстве используются показания с IMU-сенсора и камеры глубины. Наконец, контроллер полета на базе метода модельно-прогнозирующего управления (Model Predictive Control) с частотой 200 герц рассчитывает оптимальные команды для тяги двигателей и положения суставов, чтобы робот следовал заданной траектории.
Помимо базовой системы управления инженеры провели исследование аэродинамики робота, поскольку его человекоподобная форма крайне неэффективна в воздушном потоке. Для этого они провели серию экспериментов в аэродинамической трубе, а также создали цифровую модель робота. Полученный массив данных использовали для обучения нейросети, способной в реальном времени предсказывать аэродинамические силы, действующие на робота. Встраивание этой модели в систему управления позволит роботу в дальнейшем предугадывать воздействие воздушного потока и заранее корректировать тягу двигателей и положение суставов, обеспечивая стабильность полета.
Первое летное испытание состоялось на открытой площадке на крыше здания института, где удаленно управляемого робота подвесили на двухметровом кране для страховки. В процессе взлета система управления начала плавно увеличивать тягу двигателей. На тридцатой секунде робот оторвался от поверхности и оставался в воздухе около трех секунд, после чего кратковременно коснулся земли и снова взлетел. Через некоторое время из-за ошибки в ориентации, превысившей заданный порог, система безопасности автоматически заглушила двигатели. Несмотря на горизонтальное смещение, робот некоторое время поддерживал стабильную ориентацию в полете и оторвался от земли на высоту около полуметра, продержавшись в воздухе несколько секунд.
В будущем инженеры планируют улучшить систему оценки состояния, сделав ее более устойчивой к вибрациям, уточнить используемую математическую модель реактивных двигателей и доработать контроллер, чтобы он помимо взлета и посадки мог выполнять и другие маневры в реальных условиях. Также инженеры планируют перейти к свободным полетам уже без страховочных тросов и отработать полные циклы взлета и посадки на новой площадке, предоставленной аэропортом Генуи.
Хотя iRonCub — первый человекоподобный робот на реактивной тяге, существуют и другие двуногие модели роботов, способные летать. Наиболее известный из них – робот LEONARDO, который представляет собой гибрид квадрокоптера и ходячего робота с двумя ногами. Благодаря пропеллерам он может как перелетать через препятствия, так и поддерживать вертикальное положение при ходьбе.