1.2 Цель работы и задачи
Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для проведения исследований в области адаптивных шагающих робототехнических устройств.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота;
-
Разработка алгоритмов управления, обеспечивающих обратимое дистанционное управление системой приводов с учетом динамики исполнительного и задающего механизмов, приводов и управляющих свойств человека, а также реализующие супервизорное и автоматическое управление;
-
Разработка неадаптивных и адаптивных алгоритмов передвижения робота;
-
Разработка системы управления высокого уровня, реализующей адаптивные и неадаптивные алгоритмы передвижения робота с возможностью автономного и супервизорного управления;
-
Проведение экспериментов для выявления преимуществ и недостатков адаптивных и неадаптивных алгоритмов передвижения;
-
Исследование возможностей интеллектуального анализа данных, получаемых с сенсоров робота при адаптивном передвижении, для возможности коррекции дальнейшего передвижения;
2.Шагающие роботы
2.1 Значение роботов в современном мире
В наше время стремительного технического прогресса человечество все быстрее и быстрее переходит к полной автоматизации производства. Все большее и большее значение на производстве приобретают роботы. Сегодня практически невозможно представить какое-либо крупное производство без роботов, выполняющих определенные технологические операции. Но роботы существуют не только на фабриках и заводах – сегодня робота можно встретить и на улицах, и даже в домашнем быту.
Роботы – это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение. Робот (чеш. robot, от robota — подневольный труд, rob — раб), машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром [Корбинский, 1971].
С момента своего появления полвека назад роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. В ближайшие десятилетия всё более совершенные роботы станут незаменимыми помощниками людей и смогут взять на себя обеспечение большей части потребностей цивилизации.
Существует огромное число разнообразных роботов, соответственно существует и огромное число вариантов классификации роботов: по размеру и форме, по функциональному назначению, по типу программной логики и т.д. Среди всех типов классификации одним из наиболее важных является классификация по возможности передвижения, согласно которой всех роботов можно разделить на непередвигающихся и передвигающихся. В данном проекте рассматриваются передвигающиеся роботы и их подвид - шагающие роботы.
2.2 Анализ и сравнение видов передвигающихся роботов
Локомоция (от лат. locus – место и motio – движение) – передвижение, разновидность движений животных и человека, связанная с активным перемещением в пространстве[Academic]. Задача локомоции – это общий вопрос, который решается в ходе разработки системы. Но подходы к созданию подходящей конструкции значительно зависят от входных условий. Для перемещающихся по поверхности объектов основными условиями являются: свойства и рельефа поверхности, действие внешних сил, скоростные показатели.
Конструкции роботов создаются с использованием знаний обо всех видах, перемещающихся по поверхности объектов. К ним относятся как технические приспособления, изобретенные человеком, так и естественные (природные) объекты наблюдения – насекомые, животные и человек. В современной робототехнике можно выделить следующие направления разрабатываемых систем перемещения[ASAR]:
-
Колесные и гусеничные роботы
-
Шагающие роботы
-
Гибридные (колеса и конечности)
-
Специализированные (например, змееподобный)
Рассмотрим подробнее два наиболее распространенных вида роботов.
2.2.1 Колесные и гусеничные роботы
Первый вид использует в качестве средства перемещения колесо. Данный способ позволяет достигать очень хороших скоростных показателей и легкое изменение траектории движения на ровных поверхностях. Недостатком колесной конструкции является сложность или невозможность преодоления препятствий с резким перепадом высоты, пробуксовка вследствие недостаточного сцепления колес с поверхностью или провал колеса при перепаде высот. Гусеничные конструкции не так легко изменяют траекторию при движении, но получают возможность поворота на месте. Также гусеницы решают некоторые проблемы колесной конструкции – провал колеса при небольшом, но резком перепаде высот поверхности. Тем не менее, если перепад высот резкий (угол наклона более 45°) и высота преграды превышает около трети диаметра колеса, то преодолеть преграду будет затруднительно. Особенностью средств перемещения, построенных на колесной базе, является наличие трека (колеи), на протяжении которого робот оказывает давление на поверхность.
Преимущества:
-
Высокие скоростные показатели
-
Легкое изменение траектории движения
-
Плавность и равномерность движения
-
Разворот на месте (преимущественно для гусеничных машин)
Недостатки:
-
Сложность преодоления препятствий с резким перепадом высоты (ямы)
-
Сложность преодоления препятствий выше уровня нижней трети колеса (уступ)
-
Движение только в двух направлениях, находящихся в плоскости колес. Сложность реализации перемещения в любом направлении с места без разворота
-
Сложность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.
2.2.2 Шагающие роботы
Шагающие роботы – второй распространенный вид передвигающихся роботов. Отличительной особенностью данного типа роботов в том, что при проектировании конструкции используется биологический подход. Конструкция и алгоритм ходьбы строится на основе материалов наблюдений за живым существом. Различие вариантов конструкций обусловлено разнообразием используемых примеров из живой природы, но при этом можно выделить общие черты, и как следствие преимущества и недостатки.
Преимущества:
-
Преодоление препятствий с резким перепадом высоты (яма)
-
Возможность преодоления препятствий высотой до уровня крепления конечности (уступ)
-
Разворот на месте
-
Возможность реализации движения в любом направлении с места
-
Возможность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.
Недостатки:
-
Небольшая скорость перемещения
-
Возможна неравномерность движения
-
Сложность реализации конструкции (преимущественно для двуногих роботов).
2.2.3 Итоги сравнения
Исходя из оценки возможностей роботов двух видов понятно, что шагающие машины лучше приспособлены для преодоления препятствий и движения по неровному покрытию. Движение по относительно ровной поверхности не является технически сложной задачей. Движение по неровной, с заранее неизвестным рельефом поверхности требует разработки алгоритмов передвижения и конструктивных приспособлений.
Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.
Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль над их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом – центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.
|