Нестабильного робота научили ездить во все стороны

Matthew Watson / YouTube

Британский инженер разработал робота, имеющего конструкцию обратного маятника и способного передвигаться в любом направлении. В нем установлены две пары колес Илона, позволяющие двигаться в любом направлении без поворота колес. Разработка была представлена на конференции ICRA 2019.

Представленный робот по сути представляет частный случай обратного маятника. В такой конструкции, в отличие от обычного маятника, точка опоры находится ниже центра масс, из-за чего, будучи в вертикальном положении, он всегда нестабилен. Для поддержания обратного маятника в вертикальном положении точку его опоры необходимо постоянно смещать. Этот принцип часто применяется на практике в различных устройствах, к примеру, Segway и других гироскутерах. Кроме того, похожие принципы управления используются в ракетах, в которых двигатели, создающие реактивную тягу, находятся ниже центра масс и тем самым вызывают нестабильность.

Инженер Мэттью Уотсон (Matthew Watson) из Шеффилдского университета разработал робота, который, в отличие от гироскутеров, может двигаться в любую сторону без поворота корпуса. Такие способности робот имеет благодаря применению колес Илона. Они были разработаны в 1970-х годах инженером Бенгтом Илоном и наиболее часто применяются в вилочных погрузчиках на складах. Каждое колесо состоит из круглого основания и закрепленных под углом роликов. Меняя крутящий момент на разных колесах машина может сдвигаться в нужном направлении, не поворачивая корпус.

В своем роботе Уотсон использовал четыре таких колеса, но они расположены вдоль одной оси в виде двух пар. Статья, представленная на ICRA 2019, пока не опубликована, но некоторые выводы об устройстве робота можно сделать исходя из другой статьи, описывающей предыдущую версию разработки. В том роботе инженеры использовали для управления положением робота четыре двигателя с датчиками угла поворота, а также по три гироскопа и акселерометра.

Создав модель, связывающую параметры вращения колес и параметры движения всей конструкции, инженеры создали алгоритм управления роботом, позволяющий ему передвигаться в любом направлении. На ролике можно видеть, что робот способен передвигаться даже по сложным траекториям, к примеру, совмещая поступательное движение с вращательным.

Ранее конструкцию обратного маятника применяли другие разработчики роботов и дронов. Например, недавно одноногого робота Salto-1P сделали автономным, научив самостоятельно отслеживать параметры своего движения. Он передвигается, постоянно прыгая на одной ноге, приводимой в движение электромотором, а также управляя вращением вокруг разных осей с помощью маховика и двух винтов. А в прошлом году швейцарские инженеры научили квадрокоптер выполнять круговой оборот со стоящим вертикально шестом, не закрепленным на корпусе.

Колесо Илона

Колесо Илона или, как его ещё иногда называют, Шведское колесо — роликонесущее колесо, позволяющее транспорту двигаться в любом направлении. Своё название оно получило от шведского изобретателя Бенгта Илона, разработавшего его. Идея создать такое колесо пришла к нему в 1973 году, когда он работал инженером в шведской компании «Mecanum AB».

Принцип работы

Конструкция представляет собой колесо, на котором смонтировано несколько роликов, установленных на протяжении всей окружности колеса. Угол вращения роликов составляет 45° между ними и осью колеса.

Путём изменения направления и скорости вращения отдельных колёс можно заставить машину на илоновых колёсах двигаться в любом направлении — не только вперёд-назад, но и вправо-влево, и по диагонали, и даже по любой дуге, вплоть до вращения машины вокруг собственной оси. При этом трения скольжения между роликами и опорной поверхностью практически не будет.

Преимущества и недостатки

Конструкция колёс Илона позволяет вращаться на месте при минимальной силе трения и низком вращательном моменте.

Хотя гусеничный транспорт и погрузчик с бортовым поворотом используют подобный способ для вращения, однако при этом они могут существенно повредить поверхность, по которой передвигаются. К тому же для преодоления силы трения при вращении на земле требуется наличие двигателя с высоким крутящим моментом.

Применение

В 1980-х годах ВМС США заинтересовались проектом и выкупили патент у Илона. В военно-морских силах аппараты, оснащённые такими колёсами, применялись для передвижения имущества на кораблях.
В 1997 году компания «Airtrax Incorporated» и несколько других компаний каждая заплатили ВМС США 2500 долларов для того, чтобы приобрести права на технологию, включая старые чертежи, описывавшие принцип работы контроллеров и моторов. На основе приобретённого материала они рассчитывали создать вилочный погрузчик, который мог бы легко перемещаться в ограниченном пространстве, таком, как, например, палуба авианосца. Такого рода транспорт уже находится в производстве.

Обычно используется конфигурация, включающая 4 колеса (напр., робот «URANUS», способный перемещаться во всех направлениях).

Радиоуправляемый футуристический танк MoFun KEYE на колесах Илона

• Цена: $ 48.37-49.19 (зависит от типа пушки, применяем купон)

• Перейти в магазин

Дошли руки до очередного творения великого китайского игрушкостроения. Танк забавный, но уж совсем детский — собственно, это я понимал и во время заказа. Меня в первую очередь заинтересовал движитель игрушки — колеса Илона (они же шведские колеса, или колеса Меканум), так что решил пощупать. В итоге игрушка оказалась интересной, но и замечания остались.
UPD. К сожалению, игрушка через некоторое время после обзора стала жить своей жзнью — едет не туда, куда ее направляешь. Так что купите лучше что-то другое.

Колеса Илона (они же шведские колеса или колеса mecanum) — колеса с расположенными на них под углом роликах, которые позволяют машине перемещаться в любых направлениях без поворота колес. Разработаны в 1973 году шведским инженером Бегдтом Илоном, патент на них был выкуплен ВМС США, которые использовали их для транспортеров на кораблях. Сейчас появляется все больше игрушек с такими колесами.

Все шутки по поводу Илона, его колес, травы и других веществ прошу оставлять под первым комментарием.

Упаковка и комплектация

Коробка здоровая, с качественной полиграфией, но изрядно помятая. На одной из боковин изображены возможные модификации пушки. В моем случае стрельба ведется ракетами из “пенки”.

Внутри все культурно разложено в прозрачном ложементе. А танк то, оказывается, разборный.

Вот, что еще было в коробке.

Черный с зеленым колпачком цилиндр это лазерный прицел. А голубые “смарт-часы” без экрана — второй пульт управления с акселерометром, который позволяет управлять танком движениями руки. Не обижайтесь, но я об этом пульте дальше писать не буду, мне он категорически не понравился — слишком чувствительный, из-за чего танк дергается от малейшего отклонения ладони. В общем, этот аксессуар надо производителю доработать.

Еще есть вот такой набор наклеек. При желании можно декорировать танк еще больше.

Внешность и внутренний мир

Для начала соберем игрушку. Вот ее корпус и “мозги”. Снизу корпуса видим выключатель, динами и батарейный отсек. Питание от 5-ти батареек АА. Судя по инструкции, есть версия с NiCd аккумулятором. Хотя мне кажется, что лучше это все дело перевести на литий — что-то типа 2s2p из аккумуляторов 14500. По бокам и сверху корпуса находятся разъемы для подключения блоков с колесами и пушки.

К командному блоку по бокам подключаются вот такие блоки с двигателями и колесами. На каждом есть ответный разъем и защелки для надежной фиксации.

В верхний разъем вставляем “пушку” — по сути механический ракетомет револьверного типа с барабаном на 12 выстрелов. Барабан съемный для удобства заряжания.

На командном блоке есть рычаг, который позволяет регулировать положение пушки по высоте.

На фото выше на пушку уже установлен прицел — лазерная указка, питающаяся от 3-х батареек-таблеток.

Еще фото с разных ракурсов.

А вот эта черная штуковина на носу — не для красоты, это мишень.

Планируется, что вы купите два танка и устроите между ними перестрелку. Так вот при попадании по мишени танк засчитывает выстрел, после трех выстрелов он считает себя подбитым и не двигается, пока его не перезагрузить. Ниже будет видео, там этот момент тоже продемонстрирован.

Теперь посмотрим, что у танка внутри.
Командный блок. О назначении разъемов на плате сказать нечего — все подписи на китайском. Есть один не подключенный разъем.

На днище видим динамик и контакт мишени, при замыкании которого танк засчитывает попадание.

Для разборки ходовой части понадобится отвертка с удлиненной битой, поскольку некоторые винты утоплены достаточно глубоко.

Два мотора и редукторы.

Один узел более крупно. Смазка присутствует, но стоит добавить еще.

Колеса состоят из валиков, установленных по диагонали относительно плоскости. Каждый валик разделен на 2 половины, которые могут крутиться независимо друг от друга. Покрытие — резина, пыль на нее липнет очень охотно.

У пушки внутри: два мотора вращают валики, которые разгоняют снаряды. Те же моторы через шестерни передают усилие на поршень, выталкивающий снаряды из барабана к валикам.

Осталось еще пульт показать. Внешность у него довольно футуристичная, особенно во включенном состоянии, когда работает подсветка. Размер больше под взрослую руку, чем под детскую, что немного странно. Питание от 4-х батареек АА.

За непосредственно движение танка отвечают стики и два триггера. Управление дискретное — танк всегда едет с одинаковой скоростью. Но поскольку она не очень большая, то риск повредить его, столкнувшись с препятствием, небольшой.
Две зеленые кнопки возле левого стика управляют наводкой пушки по вертикали (показывал выше). Верхняя кнопка возле правого стика отвечает за выстрел, а нижняя запускает демонстрационный режим, когда танк начинает двигаться самостоятельно.

Практика

Все думал, что писать в этом разделе. В итоге, чтоб не “растекаться мыслию по древу”, лучше покажу, как игрушка работает, а потом поделюсь впечатлениями и наблюдениями.
Уже почти традиционно провел “бутылочный” тест мощности. Результаты — тоже на видео. С бутылкой 1,5 л. танк справился легко, а вот при нагрузке в 3 л. уже пробуксовывал.

Сразу, конечно, необычный способ передвижения и возможность пострелять захватывают.
Но потом все же вылезли моменты, которые несколько портят впечатление.
Во-первых, во время движения по прямой танк не может поворачивать — надо остановиться, повернуть, а потом продолжить движение. Частично этот недостаток компенсируется тем, что движение вбок или по диагонали работает всегда.
Во-вторых, пушка при одиночном выстреле выбрасывает по два снаряда. Причем второй вылетает со значительно меньшей скоростью — такое впечатление, что он вылетает просто по инерции. При стрельбе непрерывной очередью такой проблемы нет.

Также однажды в процессе стрельбы пушка зажевала снаряд — он не до конца вышел из барабана и заблокировал его вращение. Ничего страшного, но сразу скрежет шестеренок слегка напугал.

В-третьих, пульт плохо реагирует на подсевшие батарейки. Сначала поставил в него полу убитые никелевые аккумуляторы — танк двигался рывками, вбок вообще не ехал, издавал звуковой эффект, как будто его подбили.

И на уровне придирок — прицел чисто для галочки, поскольку указывает совсем не туда, куда в итоге попадают снаряды.

По длительности работы пока не могу дать точной информации. При общем «накате» чуть больше часа первый комплект батареек еще жив. В любом случае считаю, что надо переводить танк на аккумуляторы.

Суммируя сказанное — игрушка интересная, но у меня осталось впечатление, что она какая-то недоработанная. Уже не раз убеждался — если производитель заявил кучу фишек при невысокой цене, значит сэкономил на общем качестве исполнения.
С другой стороны, детям игрушка должна понравиться, а вот допиливание недоработок уже ляжет на плечи родителей.

Купон BGVYAMFK снижает цену на 18%. Итого получается:
Версия с пушкой, стреляющей дисками — $ 48.37
Версия с пушкой, стреляющей шариками — $ 48.78
Версия с пушкой, стреляющей ракетами (как в обзоре) — $ 49.19