В последние годы развитие робототехники стремительно меняет представления о возможностях мобильных роботов, особенно в сегменте квадрупедов – четырехногих роботов, способных передвигаться по разнообразной поверхности. Одним из самых значимых достижений в этой области стал проект CARA (Capstans Are Really Awesome) – высокоточный робот-собака, использующий инновационные капстанные приводы с приводом на основе каната. Этот робот воплощает в себе передовые инженерные решения, направленные на повышение точности, надежности, легкости и динамичности движений. CARA стал воплощением многолетнего опыта его разработчика, встроив в себя все лучшее, что было достигнуто ранее в проектах таких как ZEUS, ARES и TOPS. Основой уникальности CARA служит отказ от традиционных систем передач, включающих шестерни и шкивы, в пользу капстанных приводов с использованием прочного и гибкого каната Dyneema DM20 толщиной 2 мм.
Канатные капстаны обеспечивают несколько значимых преимуществ: практически нулевой люфт или обратный ход, высокий крутящий момент при низкой инерции, бесшумную работу и уменьшенные затраты на изготовление. Благодаря этим параметрам CARA достигает исключительной чувствительности контроля движения и экономии энергии, что очень важно для мобильных роботов. Ключевой инженерной задачей стало достижение точного передаточного отношения 8:1 в капстанных приводах. Исходя из предыдущих ошибок и опыта, где расчет велся на основе внешних диаметров барабанов, проектирователю пришлось перейти к пониманию эффективного диаметра, который определяется с учетом диаметра каната и точки его натяжения. Динамическое сжатие каната под нагрузкой усложняло точные замеры, поэтому была применена методика численной интерполяции.
Были построены два устройства с передаточным отношением чуть выше и чуть ниже 8:1, после чего их параметры использовались для расчетов и создания третьего, идеально сбалансированного приводного компонента. Такой подход обеспечил достижение высочайшей точности передачи крутящего момента, что является основой для стабильной и плавной работы всех суставов робота. Конструкция ног CARA заслуживает отдельного внимания, так как это самая сложная и критичная подсистема. В отличие от стандартных решений, здесь применена коаксиальная пятиплечая (5-bar linkage) кинематика, которая не только распределяет нагрузки между моторами равномерно, но и позволяет создавать более компактные и легкие конечности. Эти ноги обладают тремя суставами: двумя входящими в кинематическую цепь 5-bar linkage и вращающим весь механизм абдукции/аддукции.
Каждый сустав приводится в движение отдельным бесщеточным мотором Eaglepower 90KV BLDC, выбранным за высокий крутящий момент и низкое сопротивление, идеально подходящим для концепции Quasi-Direct Drive (QDD). Использование современных контроллеров ODrive S1 с контролем с обратной связью по магнитным энкодерам обеспечивает высокую точность позиционирования и плавность движения. Для передачи данных от энкодеров к драйверам применены магнитные энкодерные магниты и специально спроектированные 3D-печатные муфты, а также созданные с учетом охлаждения защитные кожухи. Материалы, используемые в изготовлении деталей, подобраны с учетом механических нагрузок и условий эксплуатации. Мелкие и наиболее нагруженные детали, такие как малые барабаны капстанов, напечатаны из PET-CF с углеродным наполнителем для повышения прочности, а большая часть структуры — из поликарбоната (PC), обеспечивающего хорошую жесткость и термостойкость.
Ступни робота выполнены из TPU 95А с эластичной половинчатой формой, обеспечивающей амортизацию и надежное сцепление с поверхностью. Конструкция робота дополняется карбоновыми трубками, создающими прочный и легкий каркас, а электронные компоненты размещены в специальных герметичных боксах. Управление CARA реализовано на базе микроконтроллера Teensy 4.1, который взаимодействует с приводами через CAN-шину. Робот оснащён системой обратной связи, включающей BNO086 IMU для отслеживания ориентации в пространстве и автономного поддержания устойчивости.
Питание обеспечивается аккумулятором Kobalt 24V 3000mAh, подключенным через специально адаптированный Power Wheel Adapter. Для защиты электроники применён 40А предохранитель, а микроконтроллер стабилизируется напряжением 5V. Программное обеспечение CARA включает алгоритмы гоминга суставов для инициализации положения, основанные на текущем потреблении тока и обнаружении механических ограничений. Важным элементом является развитый набор кинематических уравнений: прямые, обратные и ротационные. Эти формулы позволяют рассчитывать движения конечностей для достижения оптимальной траектории и выполнения поворотов, сохраняя баланс и плавность.
В этом роботе применяется циклоидная траектория шага, дающая естественное перемещение без рывков и обеспечивающая высокую устойчивость даже при изменении направления или поворотах. Стабилизация CARA реализуется как в статическом режиме – поддержка ровного положения при стоянке на наклоне — так и в динамическом — корректировка позы при ходьбе. Для динамического режима робот использует IMU данные только в моменты, когда все четыре ноги стоят на земле, что предотвращает раскачивания и обеспечивает быстрый отклик на внешние воздействия. Несмотря на уже высокую эффективность и надёжность, проект всё же оставляет пространство для дальнейших улучшений. В планах разработчика увеличение емкости батареи с целью продлить время работы и улучшить напряжение, а также выбор более износостойких материалов для ступней, например, силикона, что позволит безопасно эксплуатировать робот даже на абразивных поверхностях.
Кроме того, в будущем планируется расширить функции гейта с применением методов машинного обучения, чтобы преодолевать препятствия и работать в более сложных сценариях. Перспективы дальнейшего развития включают добавление колес, позволяющих переключаться между ходьбой и стремительным катанием, а также интеграцию разнообразных периферийных устройств, таких как камеры GoPro, датчики LiDAR или манипуляторы. Разработчик также рассматривает автоматизацию с помощью алгоритмов обнаружения объектов и голосового управления, что значительно расширит область применения такого робота. Проект CARA — это значительный шаг вперёд в области создания роботов с высокой точностью управления и компактной эффективной конструкцией. Использование капстанного привода и канатной передачи мощности революционно меняет представление о том, как можно получить бесшумный, мощный и легкий привод без сложных и дорогих механических компонентов.
CARA демонстрирует, что даже экспериментальные подходы строятся на основе глубокого понимания механики, материаловедения и программного обеспечения. Опыт, полученный при разработке CARA, открывает путь к новым поколениям робототехники, где надежность, точность и адаптивность сочетаются с доступностью и простотой производства. В ожидании следующей версии – более компактной, понятной и легко собираемой модели – CARA уже сегодня служит ярким примером того, как инновационные решения меняют будущее мобильных роботов.
