Robotická kocka dokáže udržať rovnováhu iba s jedným reakčným kolesom
Pred ôsmimi rokmi predstavil ETH Zürich robotickú kocku Cubli, ktorá dokáže dynamicky balansovať na jednom bode. Kocka Cubli má tri reakčné kolesá, jedno pre každú os. A v názornej demonštrácii tretieho Newtonovho zákona otáčanie reakčného kolieska pôsobí na kocku silou v opačnom smere, čo vedie k precíznej kontrole náklonu, sklonu a vybočenia, čo umožňuje Cubli balansovať, pohybovať sa a dokonca skákať.
Vedci z ETH Zürich zistili, že primeraný počet aktivovaných stupňov voľnosti pre samovyvažovaciu kocku je príliš jednoduchý, a preto sa rozhodli postaviť jednokolesové Cubli, ktoré dokáže balansovať v jednom bode rovnako ako pôvodný Cubli, ale iba s jediným reakčným kolieskom.
One-Wheel Cubli (OWC) využíva svoje jediné reakčné koleso na ovládanie náklonu aj otáčania. Stupeň odklonu je nekontrolovaný, čo znamená, že OWC sa môže otáčať okolo svojho otočného bodu, hoci vďaka treniu sa tak nedeje. Viac stupňov voľnosti ako aktuátorov (v tomto prípade reakčných kolies) znamená, že OWC je tzv. nedostatočne aktivovaný. Je však zrejmé, že na dosiahnutie tohto vyváženia je potrebná úplná kontrola nad dvoma oddelenými osami. Ako to teda funguje?
Dizajnér Matthias Hofer vysvetľuje, že vyvažovanie One-Wheel Cubli si môžete predstaviť ako pokus o vertikálne vyváženie pera a násady metly na dlani, ak si zároveň predstavíte, že sa musíte starať o ich vyváženie len v jednej osi, akoby sa nakláňali len smerom k vám alebo od vás a vy môžete pohybovať dlaňou pod nimi, aby ste to vyrovnali. Pero, ktoré je kratšie, sa bude ťažšie vyvažovať a bude si vyžadovať malé, rýchle pohyby dlane.
Zatiaľ čo dlhšia metla sa vyvažuje oveľa ľahšie a môžete ju vyvažovať pomalšími pohybmi. Toto je v podstate princíp fungovania OWC: máte síce k dispozícii len jeden ovládací vstup, ale malé rýchle pohyby a veľké pomalé pohyby sú natoľko oddelené, že jeden aktuátor môže obidva zvládnuť nezávisle, a to tak, že malé rýchle pohyby vykonáva v rámci veľkých pomalých pohybov. Mimochodom, to je dôvod toho dlhého nosníka so závažím na konci, ktorý odlišuje jednokolesový Cubli od pôvodného Cubli: je tam preto, aby sa maximalizoval tento rozdiel zotrvačnosti medzi dvoma osami, ktoré sa snažíte nezávisle ovládať.
Trvalo dlho, kým všetky tieto časti skladačky do seba zapadli, a vyžadovalo si to roky práce, aby sa výskumníci dostali od niečoho, čo by teoreticky fungovalo na papieri, ku skutočne funkčnému systému. Po zlyhaní niekoľkých skorých hardvérových iterácií sa ukázalo, že jedným z najdôležitejších trikov bolo presne vymodelovať, ako sa lúč so závažiami na koncoch vychyľuje. Vychýlenie nie je veľké, ale stačí na to, aby ste všetko pokazili, ak si nedáte pozor.
Ako možno vidieť vo videu, riadiaci systém je dostatočne úspešný na to, že napriek nedostatočnej aktivácii OWC je dokonca schopný kompenzovať jemné štuchnutie. One-Wheel Cubli je však viac než len abstraktný hardvérový a softvérový projekt. Sú tu aj potenciálne užitočné aplikácie, jednou z nich je kontrola polohy satelitov.
Zdroj: spectrum.ieee.org.
