Il est difficile d’imaginer une manière plus spectaculaire de faire une entrée en scène que de tomber du ciel. Bien que cela se produise assez souvent sur grand écran, que cela puisse ou non être réalisé dans la vie réelle constitue un défi alléchant pour notre équipe de robotique de divertissement chez Disney Research.
Tomber est délicat pour deux raisons. Le premier et le plus évident est ce que Douglas Adams a appelé « l’arrêt soudain à la fin ». Chaque seconde de chute libre signifie une vitesse supplémentaire de 9,8 m/s, ce qui peut rapidement constituer un problème de dissipation d’énergie extrêmement difficile. L’autre problème lié aux chutes, en particulier pour les animaux terrestres comme nous, est que nos méthodes normales de contrôle de notre orientation disparaissent. Nous sommes habitués à compter sur les forces de contact entre notre corps et l’environnement pour contrôler la direction dans laquelle nous nous dirigeons. Dans les airs, il n’y a rien sur quoi pousser sauf l’air lui-même !
Trouver une solution à ces problèmes est un défi de taille et sans fin. Dans le clip ci-dessous, vous pouvez voir une approche que nous avons adoptée pour commencer à y remédier.
La vidéo montre un petit robot en forme de bâton avec un ensemble de quatre ventilateurs canalisés fixés à son sommet. Le robot est doté d’un pied en forme de piston qui absorbe l’impact d’une petite chute, puis les ventilateurs canalisés maintiennent le robot debout en neutralisant tout mouvement d’inclinaison grâce à une poussée aérodynamique.
Raphaël Pilon [left] et Marcela de los Rios évaluent les performances du robot d’équilibrage monopode.Disney Research
La partie debout démontre que pousser dans les airs n’est pas seulement utile en chute libre. Les robots conventionnels qui marchent et sautent dépendent des forces de contact avec le sol pour maintenir l’orientation requise. Ces forces peuvent augmenter rapidement en raison de la rigidité du système, ce qui nécessite des stratégies de contrôle à large bande passante. Les forces aérodynamiques sont relativement douces, mais elles étaient néanmoins suffisantes pour maintenir nos robots debout. Et comme ces forces peuvent également être appliquées pendant la phase de vol, en courant ou en sautillant, cette approche pourrait conduire à des robots qui courent avant de marcher. Ce qui définit une démarche de course est l’existence d’une « phase de vol » – un moment où aucun des pieds n’est en contact avec le sol. Un robot en marche doté d’une autorité de contrôle aérodynamique pourrait potentiellement utiliser une démarche avec une longue phase de vol. Cela déplacerait le fardeau de l’effort de contrôle vers le milieu du vol, simplifiant la conception des jambes et rendant éventuellement le mouvement rapide des bipèdes plus facile à gérer qu’un rythme modéré.
Richard Landon utilise un banc d’essai pour évaluer le profil de poussée d’un ventilateur canalisé.Disney Research
Dans la vidéo suivante, un robot légèrement plus grand s’attaque à une chute beaucoup plus spectaculaire, depuis 65 pieds dans les airs. Cette machine simple possède deux pieds en forme de piston et un ensemble similaire de ventilateurs canalisés sur le dessus. Les ventilateurs stabilisent non seulement le robot lors de l’atterrissage, mais ils aident également à le maintenir correctement orienté lors de sa chute. À l’intérieur de chaque pied se trouve un bouchon de mousse compressible à usage unique. L’écrasement de la mousse lors de l’impact fournit un profil de force agréable et constant, qui maximise la quantité d’énergie dissipée par pouce de contraction.
Dans le cas de ce petit robot, la dissipation d’énergie mécanique dans les pistons est inférieure à l’énergie totale nécessaire pour être dissipée lors de la chute, donc le reste du mécanisme en prend un coup assez dur. La taille du robot est dans ce cas un avantage, car les lois d’échelle font que le rapport résistance/poids est en sa faveur.
La résistance d’un composant est fonction de sa section transversale, tandis que le poids d’un composant est fonction de son volume. La surface est proportionnelle à la longueur au carré, tandis que le volume est proportionnel à la longueur au cube. Cela signifie qu’à mesure qu’un objet devient plus petit, son poids devient relativement faible. C’est pourquoi un tout-petit peut mesurer la moitié de la taille d’un adulte mais seulement une fraction de son poids, et pourquoi les fourmis et les araignées peuvent courir sur de longues pattes grêles. Nos petits robots en profitent, mais nous ne pouvons pas nous arrêter là si nous voulons représenter certains de nos plus grands personnages.
Louis Lambie et Michael Lynch assemblent une des premières plates-formes de test de ventilateurs canalisés. La plate-forme était montée sur des fils guides et était utilisée pour des tests de capacité de levage.Disney Research
Dans la plupart des applications de robotique aérienne, le contrôle est assuré par un système capable de supporter tout le poids du robot. Dans notre cas, pouvoir survoler n’est pas une nécessité. Le clip ci-dessous montre une enquête sur la poussée nécessaire pour contrôler l’orientation d’un robot assez gros et lourd. Le robot repose sur un cardan, lui permettant de tourner librement. Aux extrémités sont montés des réseaux de ventilateurs canalisés. Les ventilateurs n’ont pas assez de force pour maintenir le cadre en l’air, mais ils ont une grande autorité de contrôle sur l’orientation.
Les robots complexes ont moins de chances de survivre indemnes lorsqu’ils sont soumis aux accélérations extrêmement élevées d’un impact direct au sol, comme vous pouvez le constater dans ce premier test qui ne s’est pas déroulé comme prévu.
Dans cette dernière vidéo, nous utilisons une combinaison des techniques précédentes et ajoutons une capacité supplémentaire : un arrêt spectaculaire en vol. Les ventilateurs canalisés font partie de cette solution, mais la décélération à grande vitesse est principalement réalisée par une grande fusée à eau. Ensuite, les jambes mécaniques n’ont plus qu’à gérer les dix derniers pieds d’accélération en baisse.
Qu’il s’agisse d’utiliser de l’eau ou du carburant pour fusée, le principe qui sous-tend une fusée est le même : la masse est éjectée de la fusée à grande vitesse, produisant une force de réaction dans la direction opposée via la troisième loi de Newton. Plus le débit est élevé et plus le fluide est dense, plus la force produite est importante. Pour obtenir un débit élevé et un temps de réponse rapide, nous avions besoin d’une buse large qui puisse passer de la fermeture à l’ouverture proprement en quelques millisecondes. Nous avons conçu un système utilisant un morceau de feuille de cuivre et un mécanisme de perforation personnalisé qui a permis d’accomplir exactement cela.
Grant Imahara met sous pression un réservoir d’essai pour évaluer un premier prototype de vanne [left]. La fusée à eau en action : notez le flux laminaire de 5 cm de large lorsqu’elle passe à travers la buse spécialement conçue. Disney Research
Une fois que la fusée à eau a arrêté le robot en vol, les ventilateurs canalisés sont capables de le maintenir en vol stationnaire à environ dix pieds au-dessus du pont. Lorsqu’ils coupent, le robot retombe et les jambes absorbent l’impact. Dans la vidéo, le robot est doté de quelques attaches lâches attachées à titre de précaution pour les tests, mais elles ne fournissent aucun support, aucune alimentation ou aucun guidage.
“Il n’est peut-être pas si évident de savoir à quoi cela peut être directement utilisé aujourd’hui, mais ces expériences de validation de principe montrent que nous pourrions être capables de travailler dans le cadre de la physique du monde réel pour réaliser les chutes élevées que nos personnages font sur le terrain. grand écran, et un jour réussir l’atterrissage », explique Tony Dohi, le chef du projet.
Il reste encore un grand nombre de problèmes à résoudre dans les projets futurs. La plupart des personnages ont des jambes qui se plient sur des charnières plutôt que de se comprimer comme des pistons, et ne portent pas de ceinture composée de ventilateurs canalisés. Au-delà des questions d’emballage et de forme, s’assurer que le robot atterrit exactement là où il a l’intention d’atterrir a des implications intéressantes en termes de perception et de contrôle. Quoi qu’il en soit, nous pensons pouvoir confirmer que ce type d’entrée a – si vous voulez bien excuser le jeu de mots – un impact considérable.
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