2.5 Виды шагающих роботов
В настоящее время наиболее распространенными разновидностями шагающих роботов являются двуногие, четырехногие и шестиногие роботы.
Шестиногий робот (англ. hexapod) – один из типов шагающих роботов, имеющий две возможные формы корпуса. Как у большинства машин такого типа имеется “модель в природе” – таракан. Данная конфигурация значительно распространена в робототехнических кругах разработки в силу рада причин. Для лучшего понимания этих причин, следует сравнить шестиногую конфигурацию с двумя другими наиболее активно применяемыми – двуногой (бипедальной) и четырехногой (квадропедальной).
Бипедальная конструкция привлекательна для реализации, так как она основана и повторяет моторику человека. Как следствие, такой робот будет лучшим образом приспособлен к действиям в среде, подготовленной для человека. Данное преимущество влечет за собой недостаток подобных систем – значительную сложность реализации. Компоновка человекоподобного робота схожа с телом человека, то есть центр тяжести находится высоко над поверхностью, и точки опоры всего две. Очевидно, что данная система склонна к опрокидыванию при незначительном отклонении центра тяжести. Это влечет за собой необходимость разработки механизмов стабилизации от опрокидывания при ходьбе. Подобные механизмы требуют значительных ресурсов на проектирование устройств и программного обеспечения. Одним из наиболее известных проектов в данной области является робот PETMAN американской компании Boston Dynamics (образовалась в Массачусетском технологическом институте)[Boston Dynamics], робот MABEL лаборатории Мичиганского университета[Nicole Casal Moore, 2011], ASIMO корпорации Honda[Asimo Honda].
Квадропедальная конструкция отличается наличием достаточного количества ног для удержания корпуса в стабильном положении без использования спецсредств. Устойчивость достигается за счет расположения центра тяжести и минимум трех ног на поверхности таким образом, чтобы центр тяжести находился внутри получившегося треугольника. При поднятии шагающей конечности центр тяжести изменяется. Подобная система проще в реализации, и может быть приспособлена к передвижению по поверхности с непредсказуемыми перепадами высот, а также преодолению препятствий высотой до уровня крепления конечностей.
Гексапедальная конструкция обладает симметричной формой и возможностью использования дополнительных опорных ног. В отличие от четырехногой системы, шесть конечностей позволяют сохранить центр тяжести при ходьбе вблизи от его положения при положении стоя. Для этого используются разные алгоритмы. Кроме того большее количество точек опоры позволяют надежнее удерживаться на неровных поверхностях и позволяют одновременно перемещать до трех ног. То есть все ноги можно переместить за два движения, что проблематично в квадропедальной конструкции. Недостатками шестиногой конструкции являются загруженность оборудованием, обслуживающим все шесть ног, и как следствие относительная громоздкость, большая масса и увеличенное энергопотребление относительно четырехногой системы
2.6 Конструктивные решения шестиногих роботов
2.6.1 Типы конструкции корпуса
Тип конструкции шестиногого робота определяется формой и характеристиками корпуса-туловища и конечностей. Они влияют на возможность реализации алгоритмов локомоции и выполнение различных движений, а также определяют вместительность и грузоподъемность (в основном для установленного оборудования).
Типы конструкций корпусов можно разделить на следующие группы[Xilun Dingetal, 2010]:
-
Цельный корпус-туловище
-
Осесимметричная форма (округлая или гексагональная)
-
Продолговатая форма (чаще всего прямоугольная)
-
Корпус-туловище с сочленениями
Осесимметричная форма привлекательна отсутствием конструктивной ориентационной направленности. То есть роботы данного типа не имеют деления частей корпуса на передний/задний и боковые. Симметричность расположения конечностей по всем осям позволяет одинаково проводить движения в шести направлениях без необходимости ориентации корпуса (Рис.12.а). Но в то же время, распределение ног по окружности и ограничение угла поворота (обозначены дугами) может потребоваться дополнительная степень свободы конечности (подвижное “колено”) для реализации движения по прямой (Рис.12б, в).
Рис.12 Схема робота осесимметричной формы
Продолговатая форма имеет выраженную направленность. Это проявляется вследствие изменения расстояния и взаимного расположения точек крепления конечностей. Роботы данной формы конструктивно больше приспособлены к передвижению в направлении длинной оси симметрии (Рис.2.а). Отличие от гексагональной формы – другие ограничение углов поворота “передних” и “задних” ног. Это позволяет реализовать прямолинейное движение, используя конечность с двумя степенями свободы.
Определение начальной и конечной позиций ноги определяется следующим способом. Каждая нога без сочленений при движении описывает дугу. В зависимости от центра и границ вращения дуга описывает траекторию движения конечности. Проведя секущую через дугу, получаем две точки пересечения. Чем меньше угол α между секущей и направлением движения, тем стабильнее происходит движение (Рис.13.б).
Рис.13. а – Схема робота продолговатой формы
б – определение граничных позиций
Корпус с сочленениями чаще всего представляет собой продолговатою форму, состоящую из подвижно соединенных частей. Такая схема имеет преимущества цельной схемы и улучшенные способности к преодолению препятствий. В то же время конструкция становится сложнее, что требует дополнительных расчетов, а дополнительные элементы сочленения (крепления, шарниры и приводы) увеличивают массу и энергопотребление.
Модели роботов, относящиеся к рассмотренным формам:
-
AH3-R, BH3-R, CH3-R компании Lynxmotion
-
Kondo KMR-M6 компании Kondo; серия PhantomX компании Interbotix Labs; A-pod, T-Hex, Phoenix компании Lynxmotion
-
HECTOR совместная разработка университета Бельфельда и института полимерных исследований им. Лейбница в Дрездене
2.6.2 Типы конструкции конечностей
Конечность – часть конструкции робота, выполняющая локомоционные действия. Они бывают нескольких типов, и выбор конкретного типа виляет на реализацию алгоритма ходьбы и движений. Конечность характеризуется количеством степеней свободы, конструкцией рычагов или параметрами специфических компонентов.
Типы конструкций конечностей делятся на следующие группы[Amol Deshmukh,2006][Edward Z. Moore,2002]:
-
Рычажные схемы
-
Однорычажная
-
Односегментная
-
Многосегментная
-
Пантографная (многорычажная)
-
Телескопическая схема
-
Дуговая схема
Рис.14. Схемы конструкций конечностей
Однорычажная односегментная схема (Рис.14.а) имеет жесткую конфигурацию и две степени свободы (горизонталь и вертикаль). Это дает возможность перемещения по прямой при продолговатой форме корпуса, разворот на месте и регулировку высоты робота в небольших пределах. Последнее возможно при определенных условиях (масса робота, мощность приводов, свойства поверхности), так как при изменении высоты будет происходить проскальзывание конечностей. При подъеме опорные точки будут сдвигаться под нижнюю часть корпуса, а при спуске отодвигаться в стороны.
Однорычажная многосегментная схема (Рис.14.б) имеет изменяемую конфигурацию за счет подвижных сегментов. Количество степеней свободы при этом обычно на одну больше числа сегментов. Каждый сегмент соединяется с соседним (один привод), а первый по счету от корпуса имеет два привода для горизонтального и вертикального перемещения. Число сегментов ограничивается потребностями разработчика (или заказчика) и характеристиками используемого оборудования. Чаще всего в шестиногих роботах встречается двухсегментные конечности с тремя степенями свободы. Этого достаточно для выполнения локомоционных действий.
Пантографная схема (Рис.14.в) позволяет управлять опорной частью конечности. Её можно использовать в двух вариантах. Первый вариант использования позволяет в больших пределах изменять высоту робота при вставании на конечности. Опорная часть конечности будет оставаться на одном месте. Второй вариант использования данной схемы – управление опорным сегментом конечности посредством привода. При этом привод располагается в корпусе-туловище, а не на сочленении. Такой вариант может значительно уменьшить силу тяжести, действующую на конечность при поднятии, что повышает устойчивость.
Телескопическая схема (Рис.14.г) представляет собой поршень с пружинным, пневматическим или гидравлическим приводом. Обычно поршень закрепляется на оси вращения (или двух осях) без дополнительных сегментов. Особенностью схемы является отсутствие рычагов, что убирает усилие, действующее на крепеж и привод конечности. Изменение высоты поднятия конечности заменяется уровнем выдвижения цилиндра поршня. Движение вперед осуществляется изменением уровня выдвижения цилиндра и углом поворота привода, плоскость вращения которого перпендикулярна направлению движения и пересекает поверхность. Для возможности движения вбок и поворота требуется второй привод, изменяющий угол наклона к поверхности в плоскости, перпендикулярной первой. Отличие телескопической системы от рычажной заключается также в дуге вращения. Если в рычажной системе дуга находится в плоскости поверхности, то в телескопической плоскости перпендикулярны. Другими словами при перемещении с фиксированным положением поршня робот будет подниматься до середины дуги, а потом опускаться. Для того чтобы этого не происходило, требуется изменять положение поршня. Используя подобную схему, часто реализуют движение прыжками.
Дуговая схема (Рис.14.д) представляет собой дугу из пластичного материала, закрепленную на оси вращения с одного конца. Конструкция представляет собой нечто среднее между колесом и конечностью. Движение происходит при вращении привода в направлении выпуклой стороны дуги. Принципы движения и поворотов похожи на гусеничный ход. Достоинством схемы является высокая проходимость, и средняя скоростные показатели. Может быть использовано в роботах без ориентации “верх-низ”. Недостатками является однонаправленность движения (вращение дуги в обратном направлении может приводить к зацепу или застреванию), нестабильный, подпрыгивающий характер движения.
Модели роботов, относящиеся к рассмотренным схемам:
-
Однорычажный односегментный – MH2 компании Lynxmotion[Lynxmotion]
-
Однорычажный многосегментный - AH3-R, BH3-R, CH3-R, A-pod, T-Hex, Phoenix компании Lynxmotion
-
Пантографный - Kondo KMR-M6 компании Kondo[Kondo]
-
Телескопический - James and McGill's Scout II Robot разработчика Джеймса Эндрю Смита[James Andrew Smith]
-
Дуговой – RHex компании Boston Dynamics
|