Наче птах: новий дрон використовує дотик, щоб хапатися за гілки та відпочивати

Дрони часто зависають у повітрі, видаючи гучне дзижчання. Вони вже можуть виконувати багато завдань, але не тоді, коли потрібна тиша. Крім того, їхні акумулятори працювали б довше, якби дрони могли час від часу “відпочивати”. Але коли дрон стежить за тропічним лісом, складне середовище навколо нього та його власний маніпулятор-захват стають надто складними перешкодами для камерного зору.

Дослідники з Делфтського технологічного університету (Нідерланди) розробили дрон, який поводиться більше як птах: він обмацує гілку перед посадкою. Використовуючи м’які тактильні датчики, вбудовані в антропоморфну кисть, дрон визначає контакт із гілкою, встановлює, де вона розташована та під яким кутом знаходиться, коригує власне положення та надійно хапається за неї. Після цього він може вимкнути двигуни та спокійно відпочивати.

Пошук, дотик, вирівнювання, захоплення

Дослідження, опубліковане в npj Robotics, представляє новий підхід до автономного приземлення, за якого дотик стає джерелом інформації для виконання дій. Використовуючи свій тактильний захват, цей дрон обмацує гілку. Коли він знаходить її, тихо хапається за неї, утримується та вимикає двигуни, щоб заощаджувати заряд акумулятора.

“Традиційно дрони значною мірою покладаються на зір, щоб розуміти навколишнє середовище. Їм потрібен чіткий огляд або точна модель гілки, перш ніж вони спробують приземлитися. Дрони, які покладаються на зір, стають “сліпими”, наближаючись до цілі, оскільки захвати та гілки перекривають їм огляд. Фактично всі наявні дослідження, що використовують такий підхід із візуальним контролем, є непрактичними в реальних умовах”, — розповідають дослідники.

Натомість цей тактильний дрон починає лише з приблизної оцінки того, де може знаходитися ціль, а потім уточнює її положення за допомогою дотику. Дрон виконує пошукову траєкторію у формі вісімки, одночасно відкриваючи та закриваючи свою трипалу кисть. Коли пальці відкриваються та закриваються, перший контакт показує положення та орієнтацію гілки. Дрон повертається та змінює своє положення, доки датчики на всіх трьох пальцях не підтвердять стабільний контакт, після чого вимикає двигуни. Якщо захоплення не вдається, дрон відходить назад на безпечну висоту та намагається знову.

Новостворений дрон із тактильним захватом, що тримається за руку дослідника Делфтського технологічного університету Антона Бреденбека. Джерело: Delft University of Technology — Studio Oostrum

Досягти цілі, перш ніж її побачити

Ця ідея була натхненна способом, у який тварини взаємодіють зі світом. Птахи використовують дотик, щоб керувати останніми моментами посадки, відчуваючи гілку лапами та коригуючи хват у реальному часі. Доцентка докторка Салуа Хамаза хотіла надати таку здатність літальним роботам.

“Зір показує вам, де щось знаходиться, аж до моменту, коли це стає найважливішим, — а потім ваш власний захват перекриває огляд. У тварин такої проблеми немає, тому що вони замикають цикл керування за допомогою дотику. Саме це ми хотіли дати дрону: можливість досягати простору, якого він не бачить, відчувати те, що там знаходиться, і коригувати себе вже під час контакту”, — каже доцентка Хамаза з Делфтського технологічного університету.

У результаті було створено легку антропоморфну кисть, призначену для польоту. Вона має три пальці, кожен із трьома фалангами (сегментами), пропорції яких натхненні будовою людської кисті. Торсійні пружини природним чином замикають пальці, завдяки чому дрон може утримувати хват без витрачання енергії після приземлення. Один трос на кожен палець відкриває пальці, а м’які силіконові накладки забезпечують тертя та дають кисті змогу пристосовуватися до різних поверхонь і текстур.

Крупний план тактильних сенсорів захвата новоствореного дрона. Джерело: Delft University of Technology — Studio Oostrum

Дев’ять тактильних датчиків на роботизованій кисті

Кожна фаланга має тактильний датчик: невеликий мідний електрод під силіконовою поверхнею. Коли він торкається об’єкта, електричний сигнал змінюється, створюючи простий сигнал “так” або “ні” щодо наявності контакту. Сам по собі цей сигнал дає обмежену інформацію. Але оскільки дрон знає форму та положення власних пальців, він може точно визначити, де саме відбувається кожен дотик. Простий сигнал про контакт перетворюється на точку в просторі та напрямок, у якому потрібно рухатися.

“Кожен датчик лише повідомляє нам: “тут щось є”. Але якщо ви знаєте форму власної кисті, цього достатньо, щоб відновити положення гілки та визначити її орієнтацію. Дрон поступово створює дедалі точнішу “картину” цілі, просто наштовхуючись на неї”, — каже Антон Бреденбек із Делфтського технологічного університету.

Такий підхід є надійним, оскільки використовує дотик для виправлення помилок у сприйнятті. Під час льотних випробувань дослідники виявили, що дрон залишався надійним навіть тоді, коли початкові оцінки положення, орієнтації та розміру цілі були неправильними, тоді як звичайна стратегія на основі машинного зору швидко зазнавала невдачі.

Дотик як перевага, а не перешкода

Ця робота відкриває шлях до дронів, здатних тривалий час здійснювати моніторинг навколишнього середовища навіть там, де одного лише зору недостатньо, наприклад у лісових кронах, на складних промислових конструкціях або в місцях без систем захоплення руху.

У ширшому сенсі дослідження свідчить про зміну підходу до контакту в аеророботиці: його можна розглядати не як ризик, якого потрібно уникати, а як джерело інформації для керування діями. Так само, як у природі, майбутні дрони можуть використовувати дотик, щоб орієнтуватися у світі та знаходити місця для посадки, які вони ще не можуть повністю побачити.