Man kann sich kaum einen spektakuläreren Auftritt vorstellen, als vom Himmel zu fallen. Während dies auf der großen Leinwand recht häufig vorkommt, stellt es für unser Unterhaltungsrobotik-Team bei Disney Research eine verlockende Herausforderung dar, ob es im wirklichen Leben erreicht werden kann oder nicht.
Stürze sind aus zwei Gründen schwierig. Das erste und offensichtlichste ist das, was Douglas Adams „den plötzlichen Stopp am Ende“ nannte. Jede Sekunde freier Fall bedeutet eine zusätzliche Geschwindigkeit von 9,8 m/s, was schnell zu einem äußerst schwierigen Energiedissipationsproblem werden kann. Das andere Problem beim Sturz, insbesondere bei Landtieren wie uns, besteht darin, dass unsere normalen Methoden zur Kontrolle unserer Orientierung verschwinden. Wir sind es gewohnt, die Richtung, in die wir uns bewegen, auf die Kontaktkräfte zwischen unserem Körper und der Umwelt zu verlassen. In der Luft gibt es nichts, worauf man drücken kann, außer der Luft selbst!
Eine Lösung für diese Probleme zu finden, ist eine gewaltige und nie endende Herausforderung. Im folgenden Clip sehen Sie einen Ansatz, mit dem wir begonnen haben, dort Verbesserungen vorzunehmen.
Das Video zeigt einen kleinen stabförmigen Roboter, an dessen Oberseite vier Kanalventilatoren angebracht sind. Der Roboter verfügt über einen kolbenförmigen Fuß, der den Aufprall eines kleinen Sturzes absorbiert. Anschließend halten Kanalventilatoren den Roboter aufrecht, indem sie jeder Kippbewegung aerodynamischen Schub entgegenwirken.
Raphaël Pilon [left] und Marcela de los Rios bewerten die Leistung des Einbeinstativ-Balancierroboters.Disney-Suche
Der stehende Teil zeigt, dass das Durchdrücken der Luft nicht nur im freien Fall nützlich ist. Herkömmliche Roboter, die gehen und springen, sind auf Bodenkontaktkräfte angewiesen, um die erforderliche Orientierung beizubehalten. Diese Kräfte können aufgrund der Systemsteifigkeit schnell ansteigen und erfordern Steuerungsstrategien mit hoher Bandbreite. Die aerodynamischen Kräfte sind relativ gering, reichten aber dennoch aus, um unsere Roboter aufrecht zu halten. Und da diese Kräfte auch während der Flugphase, beim Laufen oder Hüpfen, wirken können, könnte dieser Ansatz zu Robotern führen, die vor dem Gehen laufen. Was einen Laufgang ausmacht, ist das Vorhandensein einer „Flugphase“ – einer Zeit, in der keiner der Füße Bodenkontakt hat. Ein Laufroboter mit aerodynamischer Kontrollbefugnis könnte möglicherweise einen Gang mit einer langen Flugphase verwenden. Dies würde die Last des Kontrollaufwands auf die Mitte des Fluges verlagern, das Beindesign vereinfachen und möglicherweise die schnellen Bewegungen von Zweibeinern beherrschbarer machen als ein mäßiges Tempo.
Richard Landon nutzt einen Prüfstand, um das Schubprofil eines Impellers zu bewerten.Disney-Suche
Im nächsten Video meistert ein etwas größerer Roboter einen viel dramatischeren Sturz aus 65 Fuß Höhe. Diese einfache Maschine hat zwei kolbenförmige Beine und oben einen ähnlichen Satz Kanalventilatoren. Die Lüfter stabilisieren den Roboter nicht nur bei der Landung, sondern helfen ihm auch, ihn beim Fallen richtig auszurichten. In jedem Bein befindet sich eine komprimierbare Einweg-Schaumstoffkappe. Das Zerkleinern des Schaums beim Aufprall sorgt für ein schönes, gleichmäßiges Kraftprofil, das die Energiemenge maximiert, die pro Zentimeter Kontraktion verloren geht.
Bei diesem kleinen Roboter ist die mechanische Energiedissipation in den Kolben geringer als die Gesamtenergie, die während des Sturzes dissipiert werden muss, sodass der Rest des Mechanismus ziemlich stark in Mitleidenschaft gezogen wird. Die Größe des Roboters ist in diesem Fall von Vorteil, da aufgrund der Skalierungsgesetze das Verhältnis Widerstand/Gewicht zu seinen Gunsten ausfällt.
Die Festigkeit eines Bauteils ist eine Funktion seines Querschnitts, während das Gewicht eines Bauteils eine Funktion seines Volumens ist. Die Oberfläche ist proportional zur Länge im Quadrat, während das Volumen proportional zur Länge im Quadrat ist. Das heißt, je kleiner ein Objekt wird, desto geringer wird sein Gewicht. Aus diesem Grund kann ein Kleinkind halb so groß sein wie ein Erwachsener, aber nur einen Bruchteil seines Gewichts, und Ameisen und Spinnen können auf langen, spindelförmigen Beinen laufen. Unseren kleinen Robotern macht es Spaß, aber wir können damit nicht aufhören, wenn wir einige unserer größten Charaktere darstellen wollen.
Louis Lambie und Michael Lynch bauen eine der ersten Testplattformen für Kanalventilatoren zusammen. Die Plattform war auf Führungsdrähten montiert und diente zur Prüfung der Tragfähigkeit.Disney-Suche
Bei den meisten Flugrobotikanwendungen erfolgt die Steuerung durch ein System, das das volle Gewicht des Roboters tragen kann. In unserem Fall ist die Fähigkeit zum Schweben keine Notwendigkeit. Der folgende Clip zeigt eine Untersuchung des Schubs, der erforderlich ist, um die Ausrichtung eines ziemlich großen und schweren Roboters zu steuern. Der Roboter sitzt auf einem Kardanring und kann sich so frei drehen. An den Enden sind Netzwerke von Kanalventilatoren montiert. Die Lüfter haben nicht genug Kraft, um den Rahmen in der Luft zu halten, aber sie haben viel Einfluss auf die Ausrichtung.
Komplexe Roboter überleben die extrem hohen Beschleunigungen eines direkten Bodenaufpralls kaum unbeschadet, wie Sie an diesem ersten Test sehen können, der nicht wie geplant verlief.
In diesem neuesten Video verwenden wir eine Kombination der vorherigen Techniken und fügen eine zusätzliche Möglichkeit hinzu: einen spektakulären Stopp während des Fluges. Kanalventilatoren sind Teil dieser Lösung, die Hochgeschwindigkeitsverzögerung wird jedoch hauptsächlich durch eine große Wasserrakete erreicht. Dann müssen die mechanischen Beine nur noch die letzten drei Meter der Abwärtsbeschleunigung bewältigen.
Unabhängig davon, ob Wasser oder Raketentreibstoff verwendet wird, ist das Prinzip einer Rakete das gleiche: Masse wird mit hoher Geschwindigkeit aus der Rakete ausgestoßen und erzeugt eine Reaktionskraft in die entgegengesetzte Richtung gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit und je dichter die Flüssigkeit, desto größer ist die erzeugte Kraft. Um eine hohe Durchflussrate und eine schnelle Reaktionszeit zu erreichen, brauchten wir eine breite Düse, die in Millisekunden sauber von geschlossen auf offen wechseln konnte. Wir haben ein System mit einem Stück Kupferfolie und einem maßgeschneiderten Stanzmechanismus entwickelt, das genau das erreicht.
Grant Imahara setzt einen Testtank unter Druck, um einen frühen Ventilprototyp zu bewerten [left]. Die Wasserrakete in Aktion: Beachten Sie die 5 cm breite laminare Strömung, die durch die speziell entwickelte Düse strömtDisney-Suche
Sobald die Wasserrakete den Roboter im Flug stoppt, sind die Kanalventilatoren in der Lage, ihn etwa drei Meter über dem Deck schweben zu lassen. Beim Schneiden fällt der Roboter zurück und die Beine absorbieren den Aufprall. Im Video sind vorsichtshalber zum Testen ein paar lose Halteseile am Roboter angebracht, die jedoch keine Unterstützung, Kraft oder Führung bieten.
„Heute ist vielleicht noch nicht so offensichtlich, wofür das direkt genutzt werden kann, aber diese Proof-of-Concept-Experimente zeigen, dass wir möglicherweise innerhalb der realen Physik arbeiten können, um die hohen Stürze zu erreichen, die unsere Charaktere auf der großen Leinwand machen.“ Gelände und eines Tages erfolgreich landen“, erklärt Tony Dohi, der Projektleiter.
In zukünftigen Projekten sind noch viele Probleme zu lösen. Die Beine der meisten Charaktere lassen sich an Scharnieren biegen, anstatt wie Kolben zusammenzudrücken, und sie tragen keine Riemen aus Kanalventilatoren. Über Fragen der Verpackung und Form hinaus hat die Sicherstellung, dass der Roboter genau dort landet, wo er landen möchte, interessante Auswirkungen auf die Wahrnehmung und Kontrolle. Unabhängig davon glauben wir, dass wir bestätigen können, dass diese Art von Input – wenn Sie das Wortspiel entschuldigen – erhebliche Auswirkungen hat.
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