Американские инженеры разработали летающего гибридного робота ATMO (Aerially Transforming Morphobot), который способен изменять конфигурацию для плавного перехода между режимами дрона и колесного робота. При подлетек к земле пропеллеры робота складываются, превращаясь в колеса. А для компенсации потери тяги система управления робота использует турбулентные потоки воздуха, возникающие из-за эффекта близости поверхности. Это позволяет приземляться сразу на колеса и без задержки продолжать движение по земле. Описание конструкции робота опубликовано в журнале Communications Engineering.
В 2023 году инженеры под руководством Мортезы Гариба (Morteza Gharib) из Калифорнийского технологического института представили гибридного робота-трансформера под названием Morphobot M4. Он представляет собой гибрид квадрокоптера с четырехколесным роботом и способен переключаться между восемью различными режимами передвижения, включая езду, полет, балансировку на двух колесах, ползание и подъем по наклонным поверхностям. Четыре колеса робота с пропеллерами внутри установлены на концах подвижных рычагов, которые могут поворачиваться. В крайних положениях они ориентированы горизонтально для полета или вертикально для движения по земле. Переход от одного режима в другой Morphobot производил на земле. Однако отклонение пропеллеров во время перехода между режимами может быть затруднено из-за неровностей почвы или наличия крупных посторонних предметов вблизи. Кроме того, переход между разными режимами приводит к ощутимой задержке в движении робота.
В новой работе та же группа инженеров представила гибридного робота-трансформера, конструкция которого учитывает эти проблемы. Робот получил название ATMO (Aerially Transforming Morphobot). В отличие от М4, вместо множества отдельных актуаторов, отвечающих за отклонение каждого луча с колесом-пропеллером на конце, на нем установлен единый механизм трансформации. С помощью одного двигателя механизм изменяет угол наклона всех четырех колес с пропеллерами одновременно. Благодаря червячной передаче с высоким передаточным отношением положение лучей фиксируется даже при выключенном двигателе механизма трансформации, что позволяет ATMO летать с частично отклоненными пропеллерами, не опасаясь повреждения актуаторов.
Общий вес робота, включая аккумулятор, составляет 5,5 килограмма. В воздушной конфигурации его высота — 16 сантиметров, а ширина — 65 сантиметров; в наземной — 33 и 30 сантиметров соответственно. Движение по земле обеспечивают два привода, соединенных с колесами через ременно-шкивную передачу, что позволяет реализовать дифференциальное управление и поворот на месте, то есть повороты выполняются за счет разной скорости вращения левой и правой пары колес. В режиме полета ATMO представляет собой обычный квадрокоптер.
Чтобы изучить аэродинамику робота при различных углах наклона пропеллеров, инженеры применили технику визуализации воздушных потоков с помощью дыма. В свободном полете критическим оказался угол отклонения пропеллеров вниз в 60 градусов — вся доступная тяга в этой конфигурации уходит на компенсацию собственного веса, и у робота не остается запаса для коррекции положения, что делает его очень неустойчивым. Вблизи поверхности наблюдался аэродинамический эффект близости земли: при углах отклонения винтов до шестидесяти градусов он выражается в увеличении суммарной тяги. Например, при угле отклонения в 50 градусов тяга увеличивается на двадцать процентов. Однако при еще больших углах наклона, например, семьдесят градусов, взаимодействие воздушных потоков становится сильно нестабильным, приводя к полной потере тяги.
Эти данные учли при разработке системы управления ATMO. В ее основе лежит модель прогнозирующего управления с изменяющейся во времени целевой функцией, которая адаптируется к текущему режиму полета и высоте над поверхностью. Управляющий контроллер работает на бортовом компьютере с частотой сто пятьдесят герц. В зависимости от высоты и угла наклона корпуса он плавно переключается между стабилизацией положения в воздухе и задачей стабилизации при приземлении, при этом учитывает ограничения по тяге и использует эффект близости поверхности для компенсации потерь тяги при больших углах наклона пропеллеров.
В экспериментах ATMO успешно выполнял посадку на колеса, трансформируясь в полете и успешно приземляясь под углом до шестидесяти пяти градусов, что выше критического значения. Была также продемонстрирована обратная трансформация — взлет во время движения по земле на колесах с последующим переходом в режим полета, а также посадка на наклонную поверхность.
Похожего гибридного робота-трансформера, но гораздо меньшего размера, недавно показали китайские инженеры из Университета Цинхуа. Робот имеет массу всего 25 грамм и может превращаться из четырехколесного ровера в квадрокоптер и обратно. Для этого вместо моторов в нем используются гибкие плавно деформирующиеся актуаторы из многослойного материала с памятью формы.
