المحركات الهوائية تعطي روبوت الفهد مثل التسارع

ساعدت المحركات الكهربائية على إدخال الروبوتات ذات الأرجل في الاتجاه السائد ، مما يوفر طريقة مباشرة ومضغوطة للتحكم في الأطراف الروبوتية مع جميع ميزات التحكم الفاخرة التي تحتاجها لحركة آمنة ورشيقة. ما لا يمكنك الحصول عليه من المحركات الكهربائية (أكثر من مرة ، على أي حال) هو نوع القوة اللحظية التي تحتاجها لتتناسب مع أداء العضلات البيولوجية. هذا هو السبب في أن أطلس ، الذي يمكن القول أنه أقوى روبوت وديناميكي في الوقت الحالي ، يستخدم مشغلات هيدروليكية – للقيام بقلب خلفي مع روبوت بحجم الإنسان ، هذه هي الطريقة الوحيدة للحصول على نوع القوة التي تحتاجها.

بدأ علماء الروبوتات في جامعة كيب تاون في جنوب إفريقيا ، بإلهام من مناورات الفهود عالية السرعة ، بتجربة المشغلات الهيدروليكية القديمة – بضغط الهواء. باستخدام الغاز كسائل عامل بدلاً من سائل ، يمكنك الحصول على نسبة عالية من القوة إلى الوزن في عامل شكل بسيط وغير مكلف نسبيًا مع الامتثال المدمج الذي تفتقر إليه المكونات الهيدروليكية. هل الهواء المضغوط سهل التحكم؟ لا! ولكن لجعل الروبوت يعمل مثل الفهد ، اتضح أن التحكم المعقد قد لا يكون ضروريًا.

“نحن نجادل في أن التحكم الدقيق في القوة ربما لا يكون ضروريًا للقدرة على المناورة السريعة.”
– أمير باتيل ، جامعة كيب تاون ، جنوب إفريقيا

أولاً ، دعنا نتحدث عن الخطأ في الهيدروليكا. لأن المكونات الهيدروليكية معقدة ومكلفة وكل أنواع الفوضى إذا انفجرت ، وهو ما يحدث في بعض الأحيان. وعلى الرغم من أن الطبيعة غير المتوافقة للمكونات الهيدروليكية تجعل تصميمها والتحكم فيها أسهل ، إلا أنها تجعلها أقل تسامحًا في الاستخدام الفعلي. إذا عدت بعيدًا بما فيه الكفاية ، إلى ثمانينيات القرن الماضي عندما كان مارك رايبرت يطور روبوتات ذات أرجل ديناميكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن أولئك الذين يركضون ويقفزون الروبوتات كانوا يعتمدون على علم الهواء المضغوط بدلاً من الهيدروليك ، لأن علم الهواء كان أسهل في التنفيذ.

أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل الجميع يبدو أنهم يستخدمون المكونات الهيدروليكية بدلاً من الهواء المضغوط في الوقت الحاضر هو أن الهواء قابل للانضغاط ، وهو أمر رائع للامتثال المدمج – ولكنه يفسد معظم طرق التحكم التقليدية. يوضح أمير باتيل ، الأستاذ المساعد في جامعة كيب تاون ، أن “التحكم الدقيق في القوة أمر صعب مع هذا المشغل وقد تجنبه معظمهم”. المكونات الهيدروليكية غير قابلة للضغط ويمكنها القيام بأشياء مذهلة ، لكنها أغلى قليلاً من الأنظمة الهوائية. وعند النظر إلى الحيوانات التي تتطلب حركة انفجارية من أطرافها ، اعتقدنا أن بضغط الهواء سيكون محركًا جيدًا ، وغالبًا ما يتم تجاهله “.

أجرى باتيل قدرًا هائلاً من الأبحاث حول الميكانيكا الحيوية للفهود. لقد كتبنا عن بعضها في الماضي. (على سبيل المثال ، هذا هو سبب امتلاك الفهود ذيول رقيق). ولكن مؤخرًا ، حاول باتيل إيجاد طرق لتتبع ديناميكيات الفهود بدقة عالية جدًا لمعرفة كيف يمكنهم التحرك بالطريقة التي يقومون بها. سيكون هذا سهلاً إذا تعاونت الفهود ، ولكن من أصوات الأشياء ، فإن محاولة حملهم على الركض مباشرة فوق لوحة قوة صغيرة أو القيام بالمناورة التي تريدها أثناء عرض مثالي للكاميرات التي أعددتها هو نوع من كابوس. الكثير من هذا العمل مستمر ، لكن باتيل تعلم بالفعل ما يكفي لاقتراح نهج جديد للتنقل المستوحى من الفهد. يقول باتيل: “من سنوات دراستنا للفهود هنا في جنوب إفريقيا ، يبدو أنها لا تحاول حقًا التحكم في القوة بشكل جيد عند التسارع من الراحة”. “إنهم يدفعون بأقصى ما في وسعهم – مما يجعلنا نعتقد أن تشغيل / إيقاف [a.k.a. bang-bang] يمكن للمشغلات مثل بضغط الهواء القيام بهذه المهمة. نحن نجادل في أن التحكم الدقيق في القوة ربما لا يكون ضروريًا لمهام القدرة على المناورة السريعة “.

“نحن نركز على المرحلة العابرة للحركة – مثل التسارع السريع من حالة توقف تام ، أو القدوم للراحة بمجرد مشية عالية السرعة.”
– أمير باتيل ، جامعة كيب تاون ، جنوب إفريقيا

قام باتيل (جنبًا إلى جنب مع زملائه كريستوفر ميلر وستيسي شيلد وروبن جوفندر) ببناء روبوت ذو أرجل (أو نصف روبوت ذو أرجل ، على أي حال) يسمى كيمبا لاستكشاف نوع التسارع السريع والقدرة على المناورة التي يمكن أن توفرها علم الهواء المضغوط. تضمنت فخذي Kemba محركات كهربائية بمحرك شبه مباشر بعزم دوران عالٍ عند الوركين للحصول على وضع أكثر دقة ، مع مكابس تعمل بالهواء المضغوط عالية القوة متصلة بالركبتين. بينما تعطي المحركات الكهربائية نوعًا من التحكم الدقيق الذي توقعناه من المحركات الكهربائية ، يتم التحكم في المكابس بواسطة صمامات ثنائية بسيطة (ورخيصة) يمكن تشغيلها أو إيقاف تشغيلها. لقد بذل الباحثون الكثير من الجهد في نمذجة الديناميكيات المعقدة للمشغلات الهوائية لأنك تفعل ذلك بعد كل شيء. بعض فهم ما يفعله بضغط الهواء. ولكن مرة أخرى ، المفهوم هنا هو استخدام بضغط الهواء لتشغيل المتفجرات والحصول على تحكم أكثر دقة من المحركات الكهربائية في الوركين.

https://www.youtube.com/watch؟v=u2Hn26uojoMيستخدم Kemba ، الرجل الآلي ذو الأرجل (والمثبت بذراع الرافعة) ، محركات كهربائية من أجل الدقة والهواء المضغوط للحركات السريعة.جامعة كيب تاون ، جنوب أفريقيا

مع ذراع الرافعة للدعم ، فإن Kemba التي يبلغ وزنها 7 كجم قادرة على القفز بشكل متكرر إلى 0.5 متر مع هبوط محكم ، وتصل إلى أقصى ارتفاع للقفز يبلغ 1 متر. في حين أنه من المغري التركيز على مقاييس مثل ارتفاع القفزة والسرعة القصوى هنا ، فإن هذا في الحقيقة ليس ما يدور حوله البحث بالضرورة ، كما يوضح باتيل. “مع Kemba (وجميع الروبوتات والحيوانات التي ندرسها في مختبري) نركز على المرحلة العابرة للحركة – مثل التسارع السريع من حالة توقف تام ، أو القدوم للراحة بمجرد مشية عالية السرعة. لا تركز معظم الأوراق حقًا على تلك المرحلة من الحركة. أود أن تنشر المزيد من المعامل نتائجها في هذا المجال حتى نتمكن من الحصول على بعض المقاييس (والبيانات) للمقارنة بها “.

يرغب باتل في نهاية المطاف في أن تصبح كيمبا منصة يمكن لعلماء الأحياء استخدامها لفهم الميكانيكا الحيوية لتحركات الحيوانات ، ولكن من المرجح أن تظل مقيدة في المستقبل المنظور ، كما يقول المؤلف الأول كريس ميلر. “سأل الكثير من الناس متى سنبني النصف الآخر أو إذا كان من الواقعي أن تحمل Kemba ضاغطًا. في حين أن هذا سيكون رائعًا ، إلا أن هذا لم يكن أبدًا نية لـ Kemba. كان الهدف الرئيسي هو التنفيذ والتعلم من الحركات المستوحاة من الحيوية بدلاً من التركيز على القوة أو الاستقلالية على متن الطائرة “.

هذا لا يعني أن Kemba لن تحصل على بعض الترقيات. يمكن أن يكون العمود الفقري قيد العمل ، جنبًا إلى جنب مع الذيل ، وكلاهما سيوفر درجات إضافية من الحرية وتمكين سلوكيات أكثر ديناميكية. لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن تقترب الروبوتات ذات الأرجل من ما يمكن أن يفعله الفهد الحقيقي ، ولكن يبدو أن النهج الهوائي يحمل بعض الأمل. وأي شيء لديه القدرة على خفض تكلفة الروبوتات ذات الأرجل جيد بالنسبة لي ، لأنني ما زلت أنتظر أحد الروبوتات الخاصة بي.

الحصول على الهواء: النمذجة والتحكم في روبوت هجين كهربائي يعمل بالهواء المضغوطكريستوفر ميلر ، ستايسي شيلد ، روبن جوفندر ، وأمير باتيل من جامعة كيب تاون ، تم تقديمها في ICRA 2023 في لندن.