Биологически вдохновленное передвижение
Желание создать роботов с динамическими локомотивными способностями побудило ученых искать решения в природе. Было изобретено несколько роботов, способных к базовому перемещению в одном режиме, но было обнаружено, что у них отсутствуют некоторые возможности, что ограничивает их функции и приложения.
Высокоинтеллектуальные роботы необходимы в нескольких областях, таких как поисково-спасательные миссии, поля сражений и исследование ландшафта. Таким образом, роботы такого типа должны быть небольшими, легкими, быстрыми и обладать способностью перемещаться в нескольких режимах локомотива. Оказывается, несколько животных послужили вдохновением для создания нескольких роботов. Вот некоторые из таких животных:
Птеромиини (белки-летяги)
Иллюстративное изображение белки-летяги (Pteromyini)
Pteromyini ( племя, состоящее из белок-летягов) демонстрируют большую подвижность на суше за счет использования их способности ходить четвероногими с ногами с высокой степенью свободы (DoF). В воздухе белки-летяги скользят сквозь них, используя подъемную силу перепонки между ног.
Они обладают очень гибкой мембраной, позволяющей свободно двигать ногами. Они используют свою высокоэластичную мембрану, чтобы скользить в воздухе и демонстрировать гибкое движение на земле. Кроме того, Pteromyini способны демонстрировать мультимодальные движения благодаря мембране, соединяющей передние и задние ноги, что также увеличивает их способность скольжения.
Было доказано, что гибкая мембрана обладает более высоким коэффициентом подъемной силы, чем жесткие пластины, и замедляет угол атаки, при котором происходит срыв. У белки-летяги также есть толстые пучки на краях мембраны, кончиках крыльев и хвосте, что помогает минимизировать колебания и ненужные потери энергии.
Изображение, показывающее расположение уропатагиума
Pteromyini могут повысить свою способность к скольжению благодаря многочисленным физическим характеристикам, которыми они обладают.
Гибкая мышечная структура служит нескольким целям. Во- первых , плагиопатагиум , который служит основным генератором подъемной силы для белки-летяги, способен эффективно функционировать благодаря своим тонким и гибким мускулам.
Плагиопатагиум способен контролировать натяжение мембраны за счет сжатия и расширения. Контроль натяжения может в конечном итоге помочь в экономии энергии за счет минимального колебания мембраны. Когда белка приземляется, она сокращает свою мембрану, чтобы гарантировать, что мембрана не провисает при ходьбе.
Пропатагиум и уропатагиум служат для дополнительной подъемной силы Pteromyini. В то время как пропатагиум расположен между головой и передними конечностями белки-летяги, уропатагиум расположен на хвосте и задних конечностях, и они служат для обеспечения белке-летягу повышенной маневренности и сопротивления при приземлении.
Кроме того, у белки-летяги есть толстые веревочные мышечные структуры по краям мембраны, чтобы поддерживать форму мембран. Эти мышечные структуры, называемые platysma, tibiocarpalis и semitendinosus , расположены на пропатагиуме, плагиопатагиуме и уропатагиуме соответственно.
Законцовки крыльев расположены на запястьях передних конечностей и служат для образования аэродинамического профиля, который сводит к минимуму эффект индуцированного сопротивления из-за образования вихрей на концах крыла .
Законцовки крыла ослабляют влияние вихрей и препятствуют индуцированному сопротивлению воздействовать на все крыло. Белки-летяги могут раскладывать и складывать кончики крыльев во время скольжения с помощью больших пальцев. Это служит для предотвращения нежелательного провисания законцовок крыла.
Хвост белки-летяги позволяет улучшить способность к планированию, поскольку он играет решающую роль. В отличие от других позвоночных, у Pteromyini хвост уплощен, чтобы получить большую аэродинамическую поверхность при скольжении. Это также позволяет белке-летягу сохранять стабильность угла наклона хвоста.
Кроме того, ноги и хвост Pteromyini служат для управления направлением их скольжения. Благодаря гибкости мембран вокруг ног регулируется угол хорды и двугранный угол между мембраной и коронарной плоскостью тела. Это позволяет животному совершать перекатывание, качку и рыскание, которые, в свою очередь, контролируют скорость и направление скольжения.
Desmodus Rotundus (летучая мышь-вампир)
Изображение, показывающее Desmodus Rotundus (летучая мышь-вампир)
Общие летучие мыши – вампиры , как известно, обладают мощными режимами наземного передвижения, например, прыжки и воздушные передвижения , такие как скольжение. Несколько исследований показали, что морфология летучей мыши позволяет ей легко и эффективно переключаться между двумя режимами движения.
Анатомия, которая помогает в этом, по существу построена вокруг самой большой мышцы тела летучей мыши, pectoralis profundus (задний отдел). Между двумя способами передвижения есть три общие кости. Эти три основные кости являются неотъемлемыми частями структуры руки, а именно плечевой, локтевой и лучевой.
Изображение, показывающее Schistocerca gregaria (пустынная саранча)
Детальное изучение морфологии плеча летучей мыши показывает, что кости руки немного прочнее, а локтевая и лучевая кость слиты, чтобы выдерживать тяжелые силы реакции со стороны земли.
Schistocerca gregaria (пустынная саранча)
Пустынная саранча известен своей способностью прыгать и летать на большие расстояния, а также ползать по земле. Подробное изучение анатомии этого организма дает некоторые подробности о механизмах передвижения. Задние лапы саранчи развиты для прыжков.
Они обладают полулунным отростком, который состоит из большой мышцы-разгибателя большеберцовой кости, малой мышцы-сгибателя большеберцовой кости и утолщенной кутикулы в форме банана. Когда большеберцовая мышца сгибается, механическое преимущество мышц и компонент вертикального толчка при разгибании ноги увеличивается.
https://www.youtube.com/watch?v=qajBHFw0qxY
Чтобы совершить идеальный прыжок, саранча должна толкать ноги о землю с достаточно сильной силой, чтобы начать быстрый взлет. Сила должна быть достаточной для достижения быстрого взлета и приличной высоты прыжка. Сила также должна создаваться быстро.
Мысли вслух. а я иду шагаю по… или зачем нужны шагающие роботы
В наземных мобильных роботах традиционно используются гусеничные и колесные системы передвижения, использование таких систем диктуется простотой реализации и преемственностью от наземных транспортных средств. В то же время, существует множество специализированных систем передвижения, среди которых особый интерес ученых и фантастов вызывают шагающие системы и основанные на них мобильные роботы.
Механические ноги (педипуляторы), обеспечивают передвижение мобильного робота и предоставляют возможность перешагивания препятствий, соответственно, использование шагающего робота целесообразно, когда препятствия непреодолимы для гусеничного и колесного робота, это могут быть предметы высотой больше чем высота шасси робота или болотистые местности, а применение шасси больших габаритов не приемлемо ввиду использования робота на пересеченной местности или в городской обстановке, а также высокой потребляемой мощности шасси.
Сколько ног нужно роботу? Количество ног влияет на устойчивость робота, соответственно применение роботов с количеством ног более одной пары(многоногая ходьба или многоногая локомоция) целесообразно при сложном рельефе местности. Использование одной пары ног (двуногая ходьба или бипедальность, бипедальная локомоция) целесообразно для передвижения в интерьере помещения и городской местности, т.к. такая среда адаптирована для человека с его прямохождением на двух ногах.
В каких целях применять шагающие роботы? Если обратиться, например, к научно-фантастическим фильмам, то, чаще всего, шагающие роботы изображены в виде боевых машин и может сложиться ошибочное мнение, что такая техника панацея на поле боя, но это не так.
В киновселенной “Звездные войны” или, например, в научно-фантастическом фильме “Аватар”, подобные машины используются в боевых действиях на открытой и пересеченной местности, что полностью демаскирует их из-за высокого профиля, и делает легкой целью для артиллерии и другого тяжелого вооружения. В противоположность предыдущему примеру, в первой части фильма “Робокоп” и фильме “Робот по имени Чаппи” показаны шагающие роботы, действующие в городской среде, но конструкция их педипуляторов не позволяет им перешагивать большие препятствия (для эффективного перешагивания конструкция педипуляторов должная быть аналогична строению человеческой ноги), а также маневренно перемещаться в обстановке города, что делает их легкой целью, несмотря на наличие тяжелой брони. Ситуация полностью аналогична с применением танков в черте города.
Рисунок 1 — Шагоход AT-AT из к/ф «Зведные войны»
Рисунок 2 — Экзоскелет AMP из к/ф «Аватар»
Рисунок 3 — Робот ED-209 из к/ф «Робокоп»
Рисунок 4 — Робот MOOSE из к/ф «Робот по имени Чаппи»
Рассмотрим, где целесообразно использовать шагающие роботы.
Роботы с бипедальной локомоцией:
- в виде андроидов, в сфере социального обслуживания, в потребительской робототехнике;
- в виде платформы с целевым оборудованием и манипуляторами, в чрезвычайных ситуациях, например, при разборе завалов, в строительстве, в обслуживании технических объектов (техники, агрегатов);
- в виде бронированной платформы с оружейной системой и манипуляторами для огневой поддержки наземных операций в городской обстановке, уничтожения инженерных заграждений, баррикад, при этом ориентировочная высота робота не должна превышать два средних человеческих роста, т.е. 350 см (данное значение получено интуитивно исходя из СНиП 2.09.04-87, где указано, что жилые здания должные иметь высоту потолков не менее 250 см, а административные не менее 300 см, естественно, данный вывод не претендует на однозначность), для эффективного укрытия в городском рельефе (т.е. как минимум за одноэтажным зданием) и достаточных размерах для размещения полезной нагрузки.
Роботы с многоногой локомоцией:
Заключение.
В настоящее время шагающие системы используются только в экспериментальных образцах робототехники и исследовательских платформах, и широкого применения не нашли, т.к. не решены вопросы балансирования и эффективного энергообеспечения приводов педипуляторов. Но определенность в использовании подобных мобильных роботов необходима уже сейчас для разработки концепций практических значимых образцов.
Принципы построения и классификация шасси мобильных роботов наземного применения и планетоходов
УДК 004.896:629.3
А.В. Васильев Санкт-Петербург, Россия
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ШАССИ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ И ПЛАНЕТОХОДОВ
A.V. Vasiliev St.-Petersburg, Russia
DEVELOPMENT AND cLASSIFIcATION PRINcIPLES OF GROuND MOBILE ROBOT’S AND PLANET ROVER’S cHASSIS
Рассмотрены схемные и конструктивные решения, нашедшие применение при создании шасси наземных (на-планетных) РТС. Разработана классификация шасси, основанная на анализе их адаптационных способностей. Предложены принципы и правила составления оригинальной формульной записи схемы шасси, служащей для краткого описания ее структурного состава.
ШАССИ. РОБОТ. ПЛАНЕТОХОД. КЛАССИФИКАЦИЯ. ФОРМУЛА. АДАПТАЦИЯ.
Schematic and construction decisions of ground (planet) rover’s chassis are considered. The chassis classification based on adaptability is developed. The original formula principles and compose rules are proposed.
CHASSIS. ROBOT. PLANET ROVER. CLASSIFICATION. ADAPTABILITY
Способы передвижения современных наземных робототехнических систем (РТС) характеризуются большим разнообразием. Основой любого мобильного робота (МР) или планетохода является шасси той или иной конструкции. Шасси (или самоходное шасси)1 представляет собой совокупность частей, обеспечивающих передачу механической энергии от двигателей к активным элементам движителя (ЭД) – ведущим колесам, звездочкам, шкивам, выходным звеньям механизмов изменения геометрии шасси или механизмов шагания и т. п., – объединенных вместе с приводами в функциональную конструктивную подсистему.
Цель данной статьи – как можно более полный структурный анализ и систематизация применяемых на сегодняшний день схем шасси (СШ). По результатам анализа большого количества разработок предлагается классификация конструктивных и схемных решений шасси, нашедших отражение в проектах различных МР, делается вывод о тенденциях развития и принципах их построения.
1 Здесь термины «шасси» и «самоходное шасси» для краткости рассматриваются как эквивалентные, хотя, строго говоря, это не так.
Принципы передвижения наземных РТС
Шасси и примененный движитель во многом определяют как конструктивный облик МР, так и его функциональные возможности, главная из которых – способность к передвижению в недетерминированной среде и приспособляемость к сложным условиям движения. В конструкциях наземных РТС, по аналогии с транспортными машинами общего назначения, традиционно находят применение колесный и гусеничный движители с простейшими схемами шасси: фиксированной конфигурации и различным числом ЭД. В то же время общая тенденция развития наземных (впрочем, как и других) РТС в сторону миниатюризации [4], возрастающие требования по профильной проходимости МР с одновременным снижением размеров и массы [1] приводят к необходимости усложнения конструкций шасси путем добавления различных пассивных или активных механизмов адаптации. Это позволяет существенно повысить показатели профильной проходимости машины и наделить ее рядом дополнительных функций [1].
Также развиваются теоретические исследования и создаются конструкции МР (в т. ч. малогабаритные) с шагающим (например, Boston Dynamics (США), ВолгГТУ (Россия)) и ползающим (Hirose
Колесные и гусеничные
г ч Простейшие схемы (с жесткой рамой) г ч Адаптивные шасси (параметрическая адаптация)
Ф
К J
Требования к шасси и мобильным роботам
Миниатюризация Повышение проходимости
Комбинированные (гибридные) шасси
V ш «4. У
*
Реконфигурируемые системы (структурная адаптация)
Многомодульные сочлененные структуры
■I
Перенастраиваемые шасси
Самоорганизующиеся системы
Развитие принципов построения шасси мобильных роботов и РТС
Fukushima Robotics (Япония), University of Hamburg (Германия), Carnegie Mellon University (США), ЦНИИ РТК (Россия)) принципами передвижения. Заметим, что ползающую схему можно рассматривать как многомодульную сочлененную структуру, передвигающуюся только за счет движений в межмодульных шарнирах (а не за счет движения каждого из отдельных модулей, оснащенных, к примеру, колесным движителем). В этом смысле ползающие схемы рассматриваются как некий подкласс сочлененных.
На рисунке в схематичной форме приведены результаты анализа принципов построения шасси с точки зрения повышения их адаптационных способностей.
Таким образом, как это принято для транспортных машин, шасси наземных РТС первоначально делятся на несколько классов, характеризуемых выбранным принципом передвижения [7]. Здесь, в рамках предлагаемой классификации, выделяются следующие классы шасси: колесные; гусеничные; шагающие;
гибридные (комбинированные); сочлененные.
При этом к гибридным (комбинированным)
относятся схемы, имеющие в своем составе атрибуты нескольких классов одновременно (колесно-гусеничные, колесно-шагающие, гусенично-ры-чажные и т. п.). В этих схемах первостепенную роль играет не тип примененного основного движителя, а конструктив адаптационных механизмов шасси. Например, в шасси робота SandFlea (Boston Dynamics) для преодоления значительных препятствий предусмотрен адаптационный механизм, включающий в себя рычаги для наклона корпуса и специальный привод поршневого типа, способный с силой вытолкнуть робот в заданном направлении, обеспечивая ему прыжок на высоту до 8 (!) м. При этом в качестве базы здесь выступает простое четырехколесное шасси. Очевидно, что преобладающую роль в этой разработке играет именно примененный адаптационный механизм, а не выбранный тип движителя. Поэтому данную схему шасси целесообразно отнести к классу гибридных шасси с колесным типом движителя и использованием специальных рычагов.
В другом варианте [10] в качестве адаптационного механизма шасси используется исполнительное оборудование робота (в данном случае, манипулятор, снабженный пассивными колесами). В связи с этим такое конструкционное решение можно отнести к гибридным схемам с
шестиколесным движителем с использованием в качестве механизма повышения проходимости исполнительного оборудования МР.
Критерии классификации
Классификация построена на основе пошагового анализа схем шасси по степени их конструктивного усложнения по пути повышения адаптационных способностей. Анализ проводится путем определения числа степеней подвижности (т. е. подвижных элементов) в той или иной функциональной подсистеме шасси. Всего выделяется три основных функций шасси: передвижение, маневрирование и преодоление препятствий.
Так, на первом этапе определяется способ передвижения и число подвижных ЭД (двух-, трех-, четырех-, шести-, восьмиколесная, двух-, четырех-, шестигусеничная и т. п.), затем, в первую очередь для колесного движителя, – число приводных и ведомых элементов движителя, а также выбранный способ маневрирования (бортовой или с помощью управляемых ЭД). Для гусеничных шасси в силу их природы применяется бортовой способ поворота – он подразумевается по умолчанию. Тем не менее в очень редких случаях в практике гусеничной техники встречаются варианты поворота за счет изгиба гусеничной ленты (например, шасси танка Mk VII Tetrarch, приведенное в работе [3]). В области мобильной робототехники можно упомянуть робот Aurora компании Automatika Inc. (США), построенный по одногусеничной схеме, поворот которого осуществляется за счет изгиба гусеницы. В колесных роботах в подавляющем большинстве случаев также используется бортовой («танковый») способ поворота. Поэтому здесь он также подразумевается по умолчанию, а наличие управляемых ЭД оговаривается особо.
Последним этапом анализа является оценка адаптационных способностей шасси. Рассматривается тип адаптационного механизма (шарниры излома рамы (корпуса), поворотные модули (колесные, гусеничные, рычаги) и т. п.), оценивается число степеней подвижности (активных и пассивных).
В заключении, на основании проведенного анализа, рассматриваемой схеме шасси присваивается формула – некая краткая запись структурного состава шасси МР, составленная по определенным правилам.
Формульная запись схемы шасси МР
Для составления формулы используются буквы русского алфавита (исключение – латинская «S» (от англ. Segway)), арабские цифры и специальные знаки (знак умножения «*» и разделитель «/»).
Обозначения элементов формулы:
К – колесный ЭД;
Г – гусеничный ЭД;
О – ЭД в виде «омниколеса» (колесо типа «mecanum-wheel» в схеме Omni Directional Drive);
Шр – шарообразный ЭД;
Ру – рулевой механизм;
У – управляемый (поворотный) ЭД;
Л – опорный элемент типа «лыжа»;
Н – опорный элемент типа «нога»;
Р – опорный элемент типа «рычаг»;
Б – опорный элемент типа балансирное (рояльное) колесо;
Кп – опорный элемент типа пассивное колесо с неподвижной осью;
П – пассивный шарнир (степень подвижности);
А – активный шарнир (степень подвижности);
Ш – шарнир механизма шагания;
М – манипулятор (исполнительное оборудование МР);
Пр – прыгающий механизм;
C – секция сочлененной машины;
мС – обозначение многомодульной сочлененной схемы;
мР – обозначение многомодульной реконфи-гурируемой схемы;
S – система динамической стабилизации, подобная используемой в мобильных платформах фирмы Segway.
В обозначениях схем принимаются следующие допущения. По умолчанию считается, что колесная схема имеет индивидуальный привод каждого колеса, если это не обозначено дополнительно. Тогда общепринятая для колесной техники запись колесной формулы 4*4 в рамках принимаемых обозначений должна выглядеть как 4*4К (четыре колеса и все четыре ведущих), но в силу сказанного выше заменяется упрощенной формой вида 4К. Аналогично колесная формула 6*6 запишется просто как 6К и т. д.
Формулы составляются по следующим правилам:
• каждый элемент формулы обозначается
прописной буквой или комбинацией из прописной и строчной букв (например: К – колесо, А – активная (приводная) степень подвижности, Ру – рулевой механизм, мС – многомодульная сочлененная схема и т. п.);
• цифра, стоящая перед обозначением элемента, указывает на число этих элементов (например: 4К – четырехколесный движитель, 2А – два активных шарнира механизмов изменения геометрии шасси);
• элементы формулы, имеющие одинаковое количество и стоящие последовательно друг за другом, для сокращения записи объединяются под одной цифрой, которая относится соответственно к каждому из этих элементов. Например: запись 6К6У (шестиколесная схема с шестью управляемыми (поворотными) колесами) сокращается до 6КУ, а запись 4Г4У4А (четырехгусеничная схема с четырьмя приводами поворота гусениц вокруг вертикальной оси и четырьмя приводами вращения гусеничных модулей) может быть сокращена до вида 4ГУА;
• знак «х» применяется для указания на нетипичную для мобильных роботов колесную формулу. Например: 4*2К (автомобильная схема: четыре колеса, два ведущих) или 12*4К (двенад-цатиколесная схема с четырьмя приводными колесными модулями). Также он может указывать на то, что элементы, следующие после этого знака, содержатся в указанном количестве в каждом из элементов до него. Например: 2СП*2Г1П (двухсекционная сочлененная схема с двухстепенным соединительным шарниром, каждая секция которой представляет собой двухгусеничное шасси с одним пассивным шарниром);
знак «/» используется в качестве разделителя, например, для отделения двух следующих друг за другом букв (элементов) в случае, если цифра перед ними относится только к первой букве. Например: 6К/М3А – МР с шестиколесным движителем без механизмов изменения геометрии с использованием для повышения проходимости трехстепенного манипулятора [10]. Также он может применяться в обозначениях схем, подобных шасси трехсекционного сочлененного марсохода ВНИИтрансмаш (схема 3С*2К/5А).
Аналогично пошаговой последовательности проведения анализа формула шасси тоже формируется на основе последовательного рассмотрения конструкции шасси (число элементов движителя – число управляемых элементов – тип и состав адаптационных механизмов).
Классификация схем шасси
Результаты анализа структурного состава и кинематических связей СШ МР различных назначений и массогабаритных характеристик представлены в табл. 1, 2. Табл. 1 отведена под колесный и гусеничный классы по принципу передвижения, табл. 2 – остальные. Остановимся подробнее на каждом из них.
Наибольшее распространение среди колесных СШ в силу своей простоты получили четырех- и шестиколесные схемы (4К и 6К) с индивидуальными приводами колес (мотор-колес) и бортовым способом поворота. Двухколесные СШ в силу своей статической неустойчивости различаются по типу применяемой пассивной опоры (в виде рычага или «хвоста» – схема 2К, в виде рояльного колеса – схема 2К/Б) или используют систему динамической стабилизации на основе гироскопических датчиков (схема 2R/S).
Существуют четырехколесные СШ «автомобильного» типа с задними ведущими и передними управляемыми колесами (схема 4*2К1Ру). Как правило, подобные разработки основываются на опыте создания радиоуправляемых машинок для хобби (RC-модели). Также находят применение схемы со всеми управляемыми колесами. В качестве примера можно привести ходовой макет планетохода ХМ-7 [9] ВНИИТрансмаш (схема 6КУ).
Развитием простых колесных схем стало появление СШ с пассивными шарнирами излома корпуса (пример: схема 6К1П, приведенная в [1]), шарнирами подвески (марсоходы NASA (США) -6КУ4П, ДР РХР (ЦНИИ РТК, Россия) – 6К3П и др.) и приводными (активными) степенями (схема 6К1А в [6], 8К1А и др.), способствующими повышению проходимости МР.
Дальнейшее повышение эффективности и функциональности колесного движителя применительно к наземным РТС связано, во-первых, с совершенствованием конструкции колеса (разработки ВНИИтрансмаш [9], Macroswiss и др.), во-вторых, с созданием гибридных СШ (колесно-шагаю-щие, колесно-гусеничные, колесно-рычажные).
Наиболее распространенные гусеничные СШ типа 2Г в сравнении со схемами 2К и 6К обеспечивают более низкое удельное давление и более высокие тяговые возможности на слабонесущих грунтах, но отличаются несколько большей конструктивной сложностью и большими динамическими нагрузками при преодолении препятствий. Для повышения показателей профильной прохо-
димости применяются схемы гусеничного движителя с изменяемой геометрией (ИГ) различных конструкций: от двухгусеничных СШ с изменяемым положением рычагов с направляющими колесами (2Г1А) до шестигусеничных. Последние применительно к одному борту имеют одну основную и две дополнительных гусеницы, вращение которых осуществляется от одного общего привода. Дополнительные гусеницы устанавливаются на поворотных рычагах с концевыми роликами и направляющими гусениц. Вращение передних и задних рычагов может быть осуществлено как от общих (передних и задних) приводов (схема 6Г2А), так и каждого рычага от своего индивидуального привода (6Г4А).
Стремление к повышению эффективности СШ с гусеничным движителем также привело к появлению различных гибридных схем.
Шагающие СШ МР делятся на схемы с од-ностепенными цикловыми механизмами шагания (например, марсоход со схемой 2ЛШ разработки ВНИИтрансмаш, шагающая машина «Восьминог» (8Н2Ш) с механизмом шагания «Х-образного» типа ВолгГТУ) и многостепенные, использующие инсектоморфные ноги (робот-паук Asterisk, схема 6Н24Ш), копирующие походку млекопитающих (например, Little Dog, схема 4Н8Ш) или человекоподобные (андроидные роботы со схемами передвижения типа 2Н6Ш, 2Н10Ш).
Гибридные (комбинированные) схемы СШ являются результатом попыток совмещения достоинств различных механизмов передвижения. В первую очередь здесь следует упомянуть разработки колесно-шагающих механизмов.
К этому классу следует отнести «шагающие» (вернее, псевдошагающие) СШ, аналогичные примененной в роботе RHEX. Принцип передвижения этого робота (6РШ) основан на одноосевом вращении каждого из шести рычагов специальной конфигурации, поэтому такой способ передвижения условно можно отнести к шаганию «колесного» типа – рычаги легко могут быть заменены на колеса с превращением СШ в схему 6К. Испытания подобного робота показали хорошие результаты при передвижении в сложных условиях (трава, заросли, россыпи камней и т. п.). Интересной разработкой, которую также можно отнести к схемам с «колесным» шаганием, является двенад-цатиколесный транспортный модуль «Торнадо» (НИИ СМ МГТУ имени Н.Э. Баумана, [8]), созданный по схеме типа «Пади-вагон» [9]. СШ это-
го типа условно можно получить путем замены каждого колеса в схеме 4К на колесные модули в виде треугольника, в вершинах которого располагается по отдельному колесу. Получается схема 12*4К4Ш, в которой помимо колесного режима движения возможен также колесно-шагающий режим, при котором приводятся во вращение не отдельные колеса, а трехколесные модули целиком.
Колесно-шагающие СШ могут быть как с од-ностепенными механизмами шагания (например, ХМ-4 [9] со схемой 6КШ), так и с многостепенными – как у робота Halluc II [5], шасси которого (8КУ*3Ш) имеет 40 (!) приводов (с учетом восьми мотор-колес).
Колесно-рычажные варианты СШ заключаются в добавлении к колесной схеме одного (робот Pointman со схемой 4К1ПРА) или нескольких рычагов (4КР2А), служащих опорами при преодолении значительных препятствий и/или обеспечивающих переворот шасси в случае опрокидывания.
Альтернативными вариантами развития гибридных схем являются упомянутое выше использование манипулятора в схемах 6К/М3А [10], 2Г/М2А, а также появление прыгающих роботов. Высокими адаптационными свойствами характеризуется гусенично-шагающий робот Titan X (Hirose Fukshima Robotics Lab, схема 4ГУН8А) с возможностью передвижения в двух режимах: гусеничном (4ГУА) и шагающем (4Н12Ш).
Особое место среди адаптивных РТС занимают разработки реконфигурируемых шасси, например, СШ, приведенная в [1], с тремя вариантами перенастройки (6Г2А, 4К и 4КР2А).
Перспективным направлением повышения адаптационных способностей шасси МР является создание сочлененных СШ, появившихся как результат простой сцепки однотипных колесных или гусеничных модулей (например, двухгусе-ничных в роботе Sand Dragon) и развивающихся в сторону создания многомодульных реконфигури-руемых самоорганизующихся РТС [4].
Рассмотрены схемные и конструктивные решения, нашедшие применение при создании шасси наземных (напланетных) РТС. Проведен кинематический и структурный анализ большого числа схем шасси. Разработана классификация шасси, основанная на анализе их адаптационных способностей, а также предложены принципы и правила составления оригинальной формуль-
ной записи схемы шасси, служащей для краткого описания ее структурного состава. Использование таких формул удобно при упоминании
Классификация коле
рассматриваемой схемы шасси и при выполнении сравнительного анализа различных схемно-конструктивных решений.
Таблица 1
лх и гусеничных СШ
Колесные
Критерий классификации Описание Формула Примеры применения
По числу элементов движителя (колес, гусениц, ног, секций и т. п.) С жесткой рамой (корпусом), 2-, 3-, 4-, 6-, 8-колесные, с неуправляемыми колесами (бортовым способом поворота) 2К ЗР1 и ЗР2 (ЦНИИ РТК), Recon Scout (Recon Robotics Inc.), SpyRobot Mkl (Macroswiss)
2R/S RMP 200 (Segway Robotics)
4К «КОТ» (МГТУ имени Баумана), «Скарабей» (СЕТ-1), «Мангуст» [8], SpyRobot 4WD [2], Dragon Runner [2]
бК МРК «ТМ3» [8], РТК-04 [1], Scorpion (MacroUSA)
8К Rascal (Kentree)
По способу поворота (числу управляемых ЭД) С управляемыми колесами (рулевыми механизмами или индивидуально) ЗКУ Tri-Star I (Hirose Fukushima)
4х2К1Ру «Вездеход-РЦ» [7], X-Bot [2], TRP3 (OTO Melara)
4КУ LRMC (ВНИИтрансмаш)
бКУ ХМ-7 [9]
С колесами типа Месапит 4О youBot (KUKA), RMP50 Omni (Segway Robotics)
По адаптационным способностям (типу и числу элементов адаптации шасси) Изменяемой геометрии с пассивными шарнирами излома рамы или поворота (перемещения) осей вращения колес (балансирных тележек) 4К1П ХМ-2 [9], LRV (ARA Inc.), Ratler (Sandia Labs)
бК1П Шестиколесная МТП [1]
бКЗП ДР РХР (ЦНИИ РТК)
Гусеничные
По числу ЭД (колес, гусениц, ног, секций и т. п.) Фиксированной конфигурации с жесткой рамой (корпусом), 2-, 4-гусеничные с бортовым способом поворота 2Г РТК-QV (ЦНИИ РТК), «Варан» [8], Talon, MPRS/URBOT [7], Matilda (Mesa Associates)
По способу поворота (числу управляемых ЭД) Изменяемой геометрии, с изгибом гусеничной ленты (поворот) 1ГА Aurora (Automatica Inc.)
По адаптационным способностям (типу и числу элементов адаптации шасси) Изменяемой геометрии с пассивными или активными шарнирами излома рамы (корпуса) или поворота гусеничных тележек, с активными шарнирами поворота рычагов с гусеницами 2Г1А Wheelbarrow MK9 (Northrop Grumman), MРК-27 (СКТБ ПР), «Кобра-1бQQ» [8]
MРК-25, MicroVGTV (Inuktun)
Viper [2]
2ГА MР на базе 2Г. СШ с ИГ (ВНИИтрансмаш)
4Г8П XM-3 [9]
4Г1А PackBot, SUGV [2], Negotiator (iRobot)
Raposa (IdMind)
4Г2А MРК-2б (СКТБ ПР), Telemax, вариант (Telerob)
бГ2А СMР-01 [1]
Таблица 2
Классификация шагающих, гибридных и сочлененных СШ
Шагающие
Критерий классификации Описание Формула Примеры применения
По типу механизма шагания, числу элементов движителя и числу активных степеней подвижности Шагающие с опорными элементами в виде «лыж» с цикловыми механизмами 2ЛШ «Лыжно-шагающий» марсоход [9]
8Н2Ш «Восьминог» (ВолгГТУ)
Шагающие с опорными элементами в виде «ног» (подобные ногам животных, инсектоморф-ные или человекоподобные) 4НШ Cheetach (Boston Dynamics)
4Н8Ш Little Dog (Boston Dynamics)
6Н18Ш НМША (ИПМ Келдыша), МАША (Ин-т механики МГУ)
6Н24Ш Asterisk (Osaka Univer.)
Гибридные (комбинированные)
По типу адаптационного механизма, числу элементов движителей (колес, гусениц, ног, секций и т. п.) и числу активных степеней подвижности Шагающие с «колесным» принципом шагания (одноосевое вращение каждого из элементов), с рычагами 4РШ Whegs (Case West. Reserve Univer.)
6РШ RHEX (Boston Dynamics)
То же, с колесными модулями 12х4К4Ш МРК «Вепрь», ТМ «Торнадо» [8]
Колесно-шагающие с рычажными механизмами шагания или типа «ломающаяся рама» (безотрывный способ шагания) 6КШ Колесно-шагающий робот ХМ-4 (прямило П.Л. Чебышева) [9]
6К1А «Транспортный модуль» [6]
Колесно-шагающие с многостепенными механизмами шагания 4КУШ Hylos (Paris Univer.)
8КУ24Ш Halluc II [5]
Колесно-гусеничные с поворотными гусеничными секциями 4КГ2А Telemax, вариант (Telerob)
4К6Г2А Andros F6A, вариант (Northrop Grumman)
6К4Г2А «ТС с активными приводными тележками» [7]
Колесно-рычажные со специальными поворотными рычагами 4К1ПРА Pointman (ARA Inc.), ЛРР (МГТУ имени Баумана)
4КР2А «Колесно-рычажный вариант МТП» [1]
То же, с добавлением механизма прыгания 4К2Р1АПр Sand Flea (Boston Dynamics)
Гусенично-шагающие 4ГА Chaos (Autonomous Solutions Inc)
6Г4А Hibiscus (Чибский технологический институт)
4ГУН8А Titan X (Hirose)
Колесные или гусеничные с использованием исполнительного оборудования в качестве механизма адаптации шасси 6К/М3А Мобильный робот по [10]
2Г/М2А Hibrid mobile robot, Pat. US 7874386
Сочлененные
По числу секций, числу элементов движителя и числу активных степеней подвижности отдельной секции С пассивными шарнирами сочленения с колесным или гусеничным движителем секций 2С1Пх2Г Sand Dragon (Sandia Labs)
3С2Пх2К RobuROC 6 (Robosoft SA)
мС2Пх2К «Робопоезд» (ЦНИИ РТК)
С активными шарнирами сочленения с колесным или гусеничным движителем секций 3С1Ах2Г FootBot [4]
3Сх2К/5А Марсоход с цилиндро-коническими колесами (ХМ-8) [9]
3Сх2КУ/5А2П IARES-L (ВНИИтрансмаш)
Многомодульные ползающие 15С2А «ЗМЕЕЛОК-2» (ЦНИИ РТК)
9С2Ах6Кп ACM-R5 (Hirose) [4]
Многомодульные реконфигури-руемые (самоорганизующиеся) мР1А, мР2А, мР3А Poly Bot [4], M-TRAN III [4], SuperBot (Univ. of S.California)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев, А.В. Малогабаритный реконфигу-рируемый мобильный робот [Текст] / А.В. Васильев // Перспективные системы и задачи управления: Матер. VII Всерос. науч.-практи. конф. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2023. -С. 61-71.
2. Васильев, А.В. Современное состояние и общие тенденции развития мобильных малоразмерных робо-тотехнических комплексов специального назначения [Текст] / А.В. Васильев // Экстремальная робототехника: Труды XXI Междунар. науч.-техн. конф. -СПб.: Политехника-сервис, 2023. -С. 97-103.
3. Вонг, Дж. Теория наземных транспортных средств [Текст] / Дж. Вонг; Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1982. -213 с.
4. Иванов, А.В. Мини- и микроробототехника: Учеб. пособие [Текст] / А.В. Иванов, Е.И. Юревич. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. -2023. -96 с.
5. Карелин, В. Бот На11ис II ходит на колесах и ездит на ногах [Электронный ресурс] / В. Карелин // Научно-популярный журнал «Мембрана». -Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/3212 (Дата обращения 01.06.2023)
6. Кизоркин, А.С. Алгоритм управления транспортной системой робота на основании показаний внутренних датчиков приводов [Текст] / А.С. Кизоркин // Экстремальная робототехника: Сб. докл. Междунар.
науч.-технич. конф. -СПб.: Политехника-сервис, 2023. -С. 207-210.
7. Космачёв, П.В. Анализ конструктивных схем движителей транспортных средств робототехниче-ских комплексов для выполнения антитеррористических операций [Текст] / П.В. Космачёв // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды IX Всерос. науч.-практич. конф. -СПб.: НПО Специальных материалов, 2006. -Т. 5: Экстремальная робототехника. -С. 607-615.
8. Отдел СМ4-6. Специальные мехатронные и ро-бототехнические устройства [Электронный ресурс] / Сайт НИИ НУК СМ МГТУ имени Н.Э. Баумана. -Режим доступа: http://niism.bmstu.ru/otdelyi-nii-sm/sm4-6 (Дата обращения 01.06.2023)
9. Кемурджиан, А.Л. Планетоходы [Текст] / А.Л. Кемурджиан, В.В. Громов [и др.]; Под ред. А.Л. Кемурджиана. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1993. -400 с.
10. Шинов, С.Н. Использование манипулятора мобильной робототехнической системы для преодоления препятствий [Текст] / С.Н. Шинов // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды Х Всерос. науч.-практич. конф. -СПб.: НПО Специальных материалов, 2007. -Т. 5: Экстремальная робототехника. -С. 194-201.
Роботы в движении
Тема эта чрезвычайно обширная, поэтому для начала ограничимся краткой классификацией и обзором наиболее интересных разработок в этой области. Кстати сказать, я с удивлением обнаружил, что хороший русскоязычный материал в популярном изложении на эту тему найти не так уж и просто, так что постараемся восполнить пробел.
Движение роботов можно рассматривать в двух аспектах: способ передвижения, или кинематическая схема, и непосредственно актюаторы, или силовая часть локомоционной системы. Про последнее отметим только, что в роботах сейчас используют различные типы электроприводов, пневматические мышцы, гидравлические приводы и пьезоактюаторы, причем привод может как устанавливаться непосредственно в сочленении, так и передавать движение посредством так называемых сухожилий, что распространено в дизайне ног, рук и кистей антропоморфных роботов. На теме кинематики остановимся поподробнее.
С манипуляционными роботами ситуация достаточно проста. Их рассматривают как кинематические цепи, то есть соединение вращательных или призматических (линейно перемещающихся) звеньев. Соединение может быть последовательным (разомкнутая цепь) или параллельным (замкнутая), как, например, в суперскоростном сортировщике ABB FlexPicker [1]. Однако есть и более нетрадиционные примеры манипуляторов наподобие бионических трипода на основе технологии FinRay[2] или гибкого пневматического сортировщика [3]компании FESTO. Такие системы называют гиперизбыточными, так как степеней свободы в них сотни, благодаря чему они могут принимать практически любую форму и с легкостью огибать препятствия, что полезно при работе в стесненных условиях. Кроме того, подобные конструкции легкие, а потому безопасны для работы в непосредственной близости от людей, только вот по показателям грузоподъемности и точности позиционирования уступают «традиционным» собратьям.
Разнообразие способов передвижения мобильных роботов значительно шире. Они способны перемещаться по самым сложным ландшафтам городских джунглей, пересеченной местности или поверхности других планет, взмывать в воздух или покорять океанские течения. И средства для этого меняются от традиционных колес или пропеллеров, как в мультикоптерах или автономных батискафах, до весьма нетривиальных.
Наиболее простыми и широко распространенными являются роботы на колесных или гусеничных платформах. В действительности, нет более эффективной схемы перемещения по плоским твердым поверхностям, чем колесо. Тем не менее даже здесь вариации на классическую тему впечатляют. Начиная с омнидирекционных колес, используемых в FESTO Robotino [4] или линейке разработок другой немецкой компании KUKA — маленьком youBot [5], среднеразмерной omniRob [6] или настоящей промышленной omniMove [7], и заканчивая колесными балансирами типа сигвея или роботов на шаре, как Rezero от EPFL [8] или BallIP японского университета Tohoku Gakuin [9], а также сферических роботов, где все оборудование спрятано внутри, а движение создается вращением сферического корпуса, как это сделано в шведском патрульном всепогодном роботе Rotundus [10] или популярном роботе-игрушке Sphero [11]. Преимущество таких модификаций — возможность начать движение с места в любом направлении, а недостатки кроются соответственно в дороговизне, неустойчивости и сложности управления.
К другому широкому типу относятся роботы шагающие, причем количество конечностей здесь может меняться от двух до восьми и более. Признанным лидером разработок в этой области является американская Boston Dynamics, не так давно приобретенная ИТ-гигантом Google. В портфеле компании уникальные проекты антропоморфных Atlas [12] и PETMAN [13], а также четырехногих роботов-мулов BigDog [14] и LS3 [15]и самого быстрого в мире шагающего робота Cheetah [16], развивающего скорость более 45 км/ч. Количество ног может вырастать и до шести, как у корейского огромного шагающего батискафа Crabster [17], или даже восьми, как у паука-шпиона Robugtix T8 [18]. Робот-шимпанзе Charlie, о котором я рассказывал в предыдущем номере, вообще в зависимости от задачи может то ходить на двух «лапах», то подключать верхние конечности.
Преимущества ходьбы проявляются при движении по сложной местности, в частности по каменистой поверхности, или при необходимости подниматься и спускаться по ступеням. Проблемы связаны с тем, что ходьба требует значительных энергетических затрат, а шагающие роботы менее устойчивы и медленнее колесных или гусеничных. По этим соображениям разрабатываются роботы с гибридными локомоционными системами, комбинирующими ходьбу с ездой в зависимости от ситуации. К таким относятся, например, робот Halluc японского Технологического центра перспективной робототехники fuRo [19], тайваньский Quattroped [20], разработка KodLab Университета Пенсильвании X-RHex [21]или Morphex известного робототехника-любителя с псевдонимом Zenta [22]. Ахиллесовой пятой таких решений является сложная механика, где всегда есть чему сломаться.
В действительности, в робототехнике сейчас активно развиваются биомиметические подходы. Биомиметика — это имитация биологических систем полностью или их отдельных элементов при решении инженерных задач [23]. Способ это не новый, если вспомнить принципы работы самолетов, вертолетов, подводных лодок или даже простой застежки-липучки, но в современной робототехнике это мощная волна. Мотивация понятна: брать на вооружение механизмы, отточенные и доказавшие эффективность за миллионы лет эволюции.
Яркими примерами таких разработок являются роботы компании FESTO, создаваемые в рамках глобальной инициативы Bionic Learning Network [24], запущенной в 2006 г. За годы исследований компания продемонстрировала робототехнических рыб, медуз, скатов и пингвинов, способных двигаться как воде, так и в воздухе, а также стрекозу BionicOpter и чайку SmartBird, а в апреле этого года представила копию своего первого млекопитающего со сложной кинематикой — BionicKangaroo, который способен, как и настоящий кенгуру, запасать и правильно расходовать энергию во время прыжков [25]. Творения FESTO неизменно привлекают внимание потому, что не только заимствуют определенные принципы движения, но практически полностью внешне копируют свои прообразы.
Биомиметические подходы развиваются и в научных лабораториях ведущих университетов мира. Лаборатория биомиметической робототехники MIT известна своими роботом-гепардом [26], а также совместной разработкой с Лабораторией биомиметики и развитой манипуляции Стэнфорда — роботом-гекконом Stickybot, который благодаря специальным полимерным липучкам на подошвах лап способен карабкаться практически по любой вертикальной поверхности, включая стекло [27]. А пару месяцев назад лаборатория MIT анонсировала робота-рыбу с «мягким» эластичным хвостом, дающим ему повышенную маневренность в воде и делающим практически бесшумным [28]. В Университете Беркли сосредоточены на более простых организмах. В частности, там создают миниатюрных роботов, вдохновляясь акробатическими способностями насекомых [29]. В Гарварде разработали самого маленького летающего робота RoboBee весом 80 мг и с размахом крыльев в 3 см [30]. В швейцарском EPFL помимо прыгающей робототехнической саранчи [31] разработали инспекционного робота-саламандру Salamandra robotica II, которого отличает способность комбинировать перемещение по суше и в воде [32]. Те же цели преследуют и создатели робототехнических змей, которые, кстати, демонстрируют оригинальный принцип передвижения — ползание, или метахрональное движение. Такие роботы практически незаменимы при обследовании завалов или узких трубопроводов. Среди наиболее известных проектов — модульные конструкции Университета Карнеги-Меллон [33], разработки научной группы Норвежского университета науки и технологии, исследовательского института SINTEF [34], а также японской компании HiBot [35].
Можно сказать, что если видовое разнообразие роботов пока и уступает живой природе, то этот гандикап стремительно сокращается. Уже существуют системы, воспроизводящие даже весьма экзотические способы перемещения, например брахиацию — способность перемещаться, раскачиваясь на руках [36]. Это направление получило развитие, в частности, в роботе-горилле Университета Цукубы [37], а также в роботе Gibbot Лаборатории неврологии и робототехники Северо-Западного политехнического университета в США [38].
Пока статья готовилась к печати, появились еще два нетривиальных робота: один перенимает движения марокканского паука табача, а второй заявлен как самый быстрый «бегающий» робот — OutRunner стартапа Robotics Unlimited.
Как видите, развитие локомоционных способностей роботов не остановилось на изобретении колеса, а пошло гораздо дальше. К чему же вся эта экзотика? Во-первых, человеческую мысль и желание творить что-то новое, соревнуясь с самой природой, остановить невозможно. А во-вторых, по чисто прагматическим соображениям выбор оптимального способа передвижения зависит от конкретных условий, в которых роботу предстоит работать, и зачастую такое решение оказывается совсем неочевидным.
- http://en.wikipedia.org/wiki/DARPA_Grand_Challenge#2004_Grand_Challenge
- http://gizmodo.com/could-gms-tiny-self-driving-smartcar-actually-revoluti-1442166427
- http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/musk-promises-90-autopilot-for-teslas-in-2023-doesnt-say-how
- http://www.reuters.com/article/2023/06/03/us-autos-ghosn-idUSKBN0EE1UU20230603
- http://social.mercedes-benz.com/clipping/mercedes-benz-future-truck-2025-full-gallery-and-details-released/
- http://googleblog.blogspot.no/2023/05/just-press-go-designing-self-driving.html
- http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/google-autonomous-motorcycles-and-trucks-in-california
- http://www.audi.com/content/com/brand/en/vorsprung_durch_technik/content/2023/10/piloted-driving.html
- http://www.gibdd.ru/stat/charts/
- http://theconversation.com/self-driving-cars-will-not-help-the-drinking-driver-31747
- http://uk.reuters.com/article/2023/08/17/us-google-driverless-idUKKBN0GH02P20230817
- http://www.forbes.ru/news/243910-google-i-tpg-vlozhili-258-mln-v-prilozhenie-dlya-vyzova-taksi
- http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/future-of-self-driving-cars-detroit-panel
- http://www.technologyreview.com/news/530276/hidden-obstacles-for-googles-self-driving-cars/
- http://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/how-googles-autonomous-car-passed-the-first-us-state-selfdriving-test
- http://www.reuters.com/article/2023/09/29/us-bmw-baidu-automateddriving-idUSKCN0HO0VX20230929
- http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/three-price-ranges-for-robocars-budget-deluxe-and-out-of-sight
- http://www.nhtsa.gov/About NHTSA/Press Releases/2023/USDOT to Move Forward with Vehicle-to-Vehicle Communication Technology for Light Vehicles
- http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/systems/cars-that-talk-need-wireless-that-works
- http://www.itsa.org/awards-media/industry-and-member-news/1691-seld-driving-cars-are-headed-to-contra-costa
- http://www.engadget.com/2023/06/05/university-of-michigan-creates-fake-city/
- https://www.media.volvocars.com/global/en-gb/media/pressreleases/136182/volvo-car-group-initiates-world-unique-swedish-pilot-project-with-self-driving-cars-on-public-roads
- http://www.bbc.com/news/technology-28551069
- http://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/plate-and-switch-googles-selfdriving-car-is-a-transformer-too
- http://www.economist.com/blogs/freeexchange/2023/10/technology-and-productivity
- http://uk.pcmag.com/news/34204/fbi-driverless-cars-could-be-lethal-weapons
- http://www.wired.com/2023/10/andy-rubin-departs-google/
