19/04/2022
Door Ad Spijkers
Wetenschappers uit China hebben een kleine robot met vier poten ontwikkeld, gemodelleerd naar een rat, die meerdere bewegingen kan uitvoeren in nauwe ruimtes.
Robots met poten zijn veelbelovend voor gebruik in toepassingen in de echte wereld, maar hebben hun beperkingen. Grote viervoetige robots zoals Spot en Anymal hebben een goed aanpassingsvermogen en laadvermogen, maar kunnen geen nauwe ruimtes betreden. Microviervoetige robots kunnen smalle ruimtes betreden, maar hun taken niet uitvoeren door hun geringe laadvermogen.
Robotrat
Een oplossing om hun aanpassingsvermogen aan de omgeving te verbeteren, is het ontwerpen van een kleine biomimetische robot die in staat is meerdere bewegingen uit te voeren en ladingen te dragen. Hier trekken bruine ratten (Rattus norvegicus) veel aandacht door hun ongeëvenaarde behendigheid en aanpassingsvermogen. Er zijn dan ook veel pogingen gedaan om de morfologie of bewegingskenmerken van ratten na te bootsen.
Een team aan het Beijing Institute of Technology heeft een nieuwe robotrat ontwikkeld genaamd SQuRo (kleine quadruped robotic rat). Door veel tijd te investeren in het repliceren van bepaalde eigenschappen en functies van de biologische systemen, heeft het team robots ontwikkeld die hun beweging of gedrag kunnen reproduceren. Met een bio-geïnspireerd ontwerp hebben ze robotratten op wielen ontwikkeld die in staat zijn tot meerdere rat-achtige gedragingen.
Onlangs hebben ze de wielen vervangen door poten om de beweeglijkheid verder te vergroten. Experimenten hebben laten zien dat de robot met poten de beweging van echte ratten in nauwe ruimtes kan nabootsen.
Vrijheidsgraden
Ratten kunnen zich aan nauwe ruimtes aanpassen dankzij hun langwerpige slanke lichaam en ongeëvenaarde behendigheid. Daarom maken de onderzoekers gebruik van de morfologie en bewegingskenmerken van ratten die in grotten bewegen om hun bewegingsbehendigheid na te bootsen.
Ze hebben eerst de belangrijkste bewegingsgewrichten van ratten geëxtraheerd en de configuratie voltooid. In het bijzonder ontwierpen ze twee vrijheidsgraden in elke ledemaat om de beweging van de ledematen te reproduceren, twee vrijheidsgraden in de taille en twee vrijheidsgraden in het hoofd om de flexibele beweging van de wervelkolom na te bootsen. Dankzij een lange en flexibele wervelkolom kan SQuRo zijn lichaam buigen en snel omdraaien.
Ratten hebben bovendien een behendige mobiliteit, die verschillende typische bewegingen vertegenwoordigt. Daarom heeft de robotrat behalve de morfologie van ratten ook hun voortbewegingskenmerken. Daartoe stelden ze een hiërarchische open loop controller voor om multimodale beweging te bereiken die vergelijkbaar is met die van ratten. Het regelraamwerk bestaat hoofdzakelijk uit drie lagen:
- een multi motion planner met vier basisbewegingsmodi en een directe relatie tussen de regelvariabele en grondreactiekrachten;
- parameteroptimalisatie met inachtneming van de stabiliteits- en bedieningslimieten;
- trajectvorming van elk gewricht. Het besturingsframework maakt agile bewegingen en snelle transities mogelijk.
Verschillende bewegingen
Dankzij de biomimetische flexibele structuur en multimodale bewegingscontrole kan SQuRo verschillende bewegingen uitvoeren, zoals hurken-naar-staan, lopen, kruipen en draaien. Hij kan herstellen na een val door zijn ledematen en cervicale delen te controleren om het zwaartepunt van het lichaam op de juiste manier aan te passen.
Bovendien blijkt uit veldtesten dat SQuRo met succes door een onregelmatige smalle doorgang (binnenbreedte 90 mm) kan gaan, een obstakel met een hoogte van 30 mm kan oversteken en een stabiele voortbeweging bereikt op een helling met een helling van 15°. Dit toont zijn potentieel voor toepassing op inspectietaken in nauwe ruimtes aan.
Vergeleken met vergelijkbare viervoetige robots van vergelijkbare schaal heeft SQuRo een relatief langwerpiger, slanker lichaam en een lagere massa. De minimale draaicirkel van 0,48 lichaamslengte is veel kleiner dan die van andere robots. Bovendien kan SQuRo een stabiele voortbeweging realiseren, zelfs met het dragen van een last gelijk aan 91% van zijn eigen gewicht. Dat is een superieur laadvermogen aantoont in vergelijking met kleine viervoetige robots.
Deze mogelijkheden stellen SQuRo in staat om behendig door nauwe ruimtes en ruige terreinen te gaan en taken uit te voeren, zoals detectie of transport in relevante scenario's.
Foto: Qing Shi, Beijing Institute of Technology