Новый Asimo Robot от Honda — самый человечный из всех / Хабр

> Вернуться к содержанию

DOI:

10.25136/2644-5522.2023.1.35862

Дата направления статьи в редакцию:

03-06-2023

Дата публикации:

01-10-2023

Аннотация: В данной статье за основу были взяты малораспространённые шагающие роботы, которые используются или предлагаются в качестве помощников в недетерминированной среде, например, во время спасательных операций. Необходимо было провести глубинный анализ существующих моделей для актуализации информации по тематике роботов с шагающим движителем по нескольким критериям: габариты, вес, количество степеней свободы, скорость движения, потребляемая мощность, время автономной работы, максимальная нагрузка, также была поставлена задача в поиске достоинств и недостатков рассмотренных моделей. Для начала были выделены области исследования по тематике статьи для сужения круга поиска существующих прототипов и реальных роботов. Методами сравнительного и критического анализов была проведена работа с доступными материалами за последние 5 лет, которая позволила выполнить задачи, ставящиеся перед написанием статьи. Результатами исследования стали выявленные итоговая таблица по крупно обобщённым группам шагающих роботов и три общие таблицы по рассматриваемым моделям, суммирующие их преимущества и слабости моделей. Такие данные помогут исследователям углубить знания в тематике шагающих роботов, проанализировать как собственные работы, так и исследования зарубежных коллег и соотечественников, применить в дальнейшей своей работе, акцентировать свою деятельность на решение проблем, подчеркнуть уникальность и актуальность своих разработок. Данная статья выделяет особенности использования шагающих роботов, применимых специально для спасательных операций, но области использования описываемых роботов может быть обширнее. Обзорная статья также выделяет и описывает нетрадиционные движители шагающих роботов, помимо классических походок, широко известных, по своей большой огласке в средствах массовой информации, видео хостингах и прочих инструментах получения информации.

Ключевые слова:
робот, шагающий робот, спасательная операция, проблемы, недостатки, преимущества, достоинства, антропоморфный робот, четвероногий робот, гексапод

Abstract: This article explores the walking robots that are used or assist in nondeterministic environment, such as rescue operations. This required carrying out in-depth analysis of the existing models to acquire relevant information on the robots with walking mechanisms in accordance with several criteria: parameters, weight, degrees of freedom, speed of movement, input energy, runtime, maximum load, advantages and disadvantages of the reviewed models. Using the methods of comparative and critical analysis, the author analyzed the available materials for the past 5 years, which allowed accomplishing the set tasks. The results consist in compiling a summary table for largely generalized groups of walking robots and three tables for the models under review, which summarize their advantages and weaknesses. Such data would broaden the knowledge of the researchers dealing with the walking robots, analyze both national and foreign studies on the topic, apply this experience in further work, focus on solution of the problems, and emphasize the uniqueness and relevance of their developments. This article determines the peculiarities of utilization of walking robots specifically in rescue operations; however, the scope of their applicability can be broader. The author also describes the nontraditional locomotors of walking robots, which are widely known in media, video hosting, and other tools of receiving information.

Keywords:

anthropomorphic vehicles, dignity, advantages, limitations, problems, rescue operation, walking robot, robot, quadruped robot, hexapod

Введение

Современность преподносит много ситуаций, к которым человек оказывается не приспособлен. В отличие от предшествующих поколений людям настоящего времени привычны многие изобретения, о которых раньше могли только мечтать или даже не догадываться, что такое может существовать. Как и всё в этом мире, человек не стоит на месте, он адаптирует и изобретает больше новых гаджетов, значительно упрощающих и совершенствующих жизни людей. Теперь без многих таких аппаратов и усовершенствований люди уже не представляют свою жизнь, но все равно далеко не все сферы существования охвачены такими большими исследованиями, некоторые из них по-прежнему остаются малоизученными и малоприспособленными к новой реальности.

Например, в настоящее время в условиях нестабильной обстановки окружающей среды, сложностей адаптации человека к изменяющимся реалиям мира, а также его ограниченности в познаниях неизученного, в экосистемах стали еще чаще возникать природные, техногенные, социальные и другие опасные ситуации. Такие события нередко угрожают не только здоровью и жизни людей, но и жизнедеятельности всех обитаемых на Земле организмов, а также материальным и нематериальным имуществам и благам, так необходимым человеку. Периодичность и мощность таких проблем, происходящих на нашей планете, прогрессируют с каждым годом ^{[1, с. 36]}. При возникновении чрезвычайных ситуаций в большинстве случаев проводятся аварийно-спасательные работы, основным направлением которых является спасение жизни и здоровья человека, а также снижение размеров вреда, наносимого окружающей среде и материальных потерь.

Многообразие всех этих разрушительных природных и природно-антропогенных явлений согласно ^{[2, с. 36]} делится на 4 основные группы:

• геологические чрезвычайные ситуации;

• гидрологические стихийные бедствия;

• пожары;

• метеорологические катаклизмы (движение воздушных масс).

На сегодняшний день человечество стремится минимизировать события бедствий и их последствия, изобретая новые средства защиты. Технические достижения в области аварийно-спасательных работ достаточно быстро развиваются и приводят к роботизированным техническим комплексам (РТК), которые в дистанционно управляемом, полуавтономном и автономном режиме ^{[3, с. 36]} проводят поисково-спасательные операции, наиболее часто в таких случаях используются роботы с шагающими движителями.

Каждый день возникают новые осложнения, часть из которых требует достаточно много времени на проработку, хоть и выглядят они сначала, как простые задачи с быстрым решением. Всем известно, что роботы особо часто применяются в тяжелых ситуациях, как для морального, так и для физического здоровья человека. В таких случаях возникают проблемы применения робототехнических систем (РТС) в конструкциях, которые не позволяют распространиться сигналу, сильно затрудняется использование мобильных роботов, так как беспроводное управление может быть прервано, а кабельное затрудняет прохождение аппарата в недетерминированных средах.

Обнаружение человека в помещении — это одна из основных проблем во время спасательных операций ^{[4, с. 36]}. При идеальном применении робототехнических систем первостепенно нужно найти человека, определить его состояние, при необходимости вызвать спасателя, медицинского работника или же более мощного или сильного робота, который поможет вытащить тело из завалов.

Сферы применения робототехнических спасательных комплексов

К сожалению, не все существующие проблемы на данный момент может решать робот. Проведем краткий обзор основных чрезвычайных ситуаций и выделим основные актуальные направления задач для шагающих роботов.

Первое явление ‑ извержение вулкана. Извержения стали менее катастрофичны, чем, например, извержение Везувия в 79 году н. э., но они продолжают наносить вред человеку, могут быть ужасны и могут привести к соответствующим последствиям. Если с вулканическим пеплом, дымом, сходом гор и обломков, впоследствии разрушениями лесов и домов РТК будет справляться достаточно хорошо, то вот с последствием извержения лавы устройство будет на данный момент бесполезно из-за рабочих температур.

Следующая ситуация – это землетрясение, одно из главных и частых проблем спасателей. После основной волны разрушается большая часть сооружений, и поисково-спасательная операция с участием людей и собак занимается поиском выживших, но при наступлении волны афтершоков ‑ повторных землетрясений – могут возникнуть ситуации, что спасателей самих накроет обломками, и они могут стать пострадавшими. Как раз для таких ситуаций разрабатываются спасательно-поисковые роботы для замены человека, управляемые оператором из безопасного места, также постепенно происходит переход к автономному управлению используемых шагающих роботов. Смерч и циклон (или как принято называть «ураган», «тайфун») по своим последствиям и оставленным разрушениям напоминают землетрясения.

С селями или потоками с большой концентрацией минеральных частиц, камней и обломков горных пород, оползнями, лавинами, карстами и обвалами в качестве стихийного бедствия, т. е., как отрыв и падение масс горных пород со склонов гор, могут быть полезны большие РТК. Ученые заботятся о предотвращении данных явлений и разрабатывают роботов-скалолазов, например, Roboclimber, который может передвигаться по отвесным скалам, по трещинам в породе и по крутым и осыпающимся склонам ^{[5, с. 36]}.

Наводнение и обвалы зданий после цунами и прочих гидрологических бедствий имеют большой ряд осложнений, вызванных наличием водной составляющей исследований. Несмотря на сложность работы, шагающие роботы подстраиваются под водную сферу жизни и удачно помогают в подобных ситуациях.

Лимнологическая катастрофа — редкое физическое явление, при котором газ вырывается на поверхность из глубины водоёма и создает угрозу удушения. Данная ситуация опасная, но она не относится к сферам использования шагающих движителей на месте происшествия.

Стихийное бедствие «пожар», часто появляющееся в новостных колонках и вызывающее волнения, подразделяется на два вида: лесной и торфяной. Также следует отнести к этой группе более глобальное понятие «пожар», а именно пожар как неконтролируемое распространение огня, приносящее материальный ущерб, вред жизни и здоровью людей. Шагающие роботы, на данный момент, редко когда могут работать с самим пожаром и огнем, зачастую их область работы заключается в исследовании задымленных помещений, открытых пространств заранее известных роботом. Однако существует группа пожарных роботов, которые работают в горящих помещениях для поиска и спасения потерпевших, но они не шагающие, например, робот МУПР ^{[6, с. 36]} или Anna Konda ^{[7, с. 36]}.

Каждый год в той или иной части планеты, в то или иное время все чаще происходят привычные по звучанию такие природные явления, как метель, град или засуха. Перечисленные проблемы являются серьезными для спасательных служб многих стран, но не целесообразно использовать шагающих роботов для данных работ.

Следует заметить, что особенно актуальны и полезны шагающие РТК будут для помощи в терактах, обнаружения и подсчета захватчиков и заложников внутри зданий.

Анализ спасательных шагающих роботов

Как известно, основные робототехнические исследования, передовые технологии по ним, определенные компетенции в выбранной нише занимают Япония и США. В данной статье хотелось затронуть не только основных конкурентов рынка шагающих роботов. Проведем анализ используемых и тестируемых РТК во время спасательных операций.

Роботы HRP-2 Kai и Jaxon, Япония

Яркими примерами из Японии можно считать частых участников спасательных операций HRP-2 Kai и Jaxon, помогающие в поиске и спасении людей после землетрясений, цунами и других природных явлений, представленные на рис. 1. Двуногие антропоморфные роботы также хорошо справляются с завалами и, что особенно, с тушением пожаров.

Рис. 1. Внешний вид роботов HRP-2 Kai (слева) и Jaxon (справа)

Габаритные характеристики человекоподобного робота HRP-2 Kai приведены в таблице 1 ^{[8, c. 36]}.

Таблица 1. Габаритные характеристики робота HRP-2 Kai

Опираясь на приведённые характеристики и данные из источника ^[8], делаем вывод, что HRP-2Kai – это аббревиатура от Humanoid Robotics Platform No. 2 «Улучшенный» («Кай» на японском означает «улучшение»). Он был разработан во время второй фазы японского национального проекта HRP (Humanoid Robotics Project) в Национальном институте передовых промышленных наук и технологий (AIST), с улучшениями для решения задач реагирования на стихийные бедствия. Кинематическая структура представлена на рис. 2, из которого видно, что робот имеет 32 степени свободы: 6 на каждой ноге, 2 на талии, 2 на голове, 7 на каждой руке и по 1 в кистях.

Система управляется в реальном времени на основе промежуточного программного обеспечения Open-RTM, разработанного в AIST. Конструкция оснащена набором датчиков внешнего состояния, которые используются во время манипуляций: система 3D-сканера, встроенная в его голову, четыре камеры, размещенные в голове, сзади и на каждой руке, и шестиосевые датчики силы на его запястьях и щиколотках. Система 3D-сканера реализована лазерным дальномером, синхронизированного с шарниром соединения головы. Ручная камера устанавливается в каждую руку вместе со светодиодной лампой и лазером, также важно заметить, что камера не совмещена с продольной осью руки. Датчики силы запястья используются для управления задачами, в частности, для обнаружения контакта руки с окружающей средой, а датчики силы в голеностопном суставе ‑ для стабилизации двуногой ходьбы.

Рис. 2. Кинематическая схема робота HRP-2Kai

Конфигурация комплекса HRP-2Kai с управляемым положением ног, согласно исследованиям ^{[9, с. 36]}, не имеет проблемы с регулированием баланса при вытянутых коленях. Эта особенность, несомненно, является достоинством системы.

За основу в работе ^{[10, с. 36]} взят робот-гуманоид JAXON, разработанный в лаборатории Университета Токио, имеет систему жидкостного охлаждения для охлаждения двигателей и приводов двигателей, за счет которой реализуется мощное движение. Однако система жидкостного охлаждения делает робота тяжелым. На рис. 3 и рис. 4 приведены габаритные размеры, кинематическая схема робота, основные характеристики шарниров, таблица сравнения приводов MAXON EC-4pole 30 200W в шарнирах. Робот имеет 32 степени подвижности.

Рис. 3. Конфигурация робота JAXON

Рис. 4. Характеристики шарниров и приводов робота JAXON

В работе ^{[11, с. 36]} была выделена средняя скорость движения во время «ходьбы» комплекса JAXON, равная 0.6 м / с. Такое же значение средней скорости робота HRP-2Kai выявлено в работе ^{[12, с. 36]}.

Недостатки HRP-2 Kai и Jaxon:

Антропоморфные роботы не всегда владеют с балансом на пересеченной местности ^{[13, с. 36]}. Часто антропоморфные роботы сталкиваются с проблемой регулирования баланса при вытянутых коленях, несмотря на контур управления положения ног, за счет препятствия прямому управлению распределения силы на полу из-за механических особенностей ^[9].

В моделях восприятия окружающего мира во время движения нужно повышать точность распознавания внешней среды и снижать вычислительные затраты.

Во время выполнения задач в неизвестных средах с высокой надежностью, гуманоидным роботам необходима высокоточная локализация. Также обычно антропоморфные роботы не имеют привязки к постоянной горизонтальной плоскости, тогда как она может использоваться как часть быстрых и экономичных методов локализации ^{[14, с. 36]}. Перенос объекта перед корпусом во время движения вызывает визуальную окклюзию и нестабильность удержания робота, что несет в себе проблему использования РТС ^{[15, с. 37]}.

Еще одна проблема человекоподобных роботов – это применение большой силы, например, задача, при которой опорная сила неизвестна (копание).

Робот WALK–MAN, Италия

Итальянский двухметровый гуманоидный робот-помощник WALK-MAN, представленный на рис. 5, способен взаимодействовать с различными инструментами и окружающей средой. Робот может найти место пожара, подойти к этому месту, активировать огнетушитель для ликвидации огня. Во время операции он может собирать изображения, передавать их обратно спасателям-операторам для оценки ситуации и дальнейшего управления.

Рис. 5. Внешний вид робота WALK-MAN

Верхняя часть тела WALK-MAN (исключая руки и шею) имеет 17 степеней свободы, каждая рука имеет 7 степеней свободы, а талия – 3 DOF. Кинематика руки WALK-MAN напоминает устройство с 3 степенями свободы на плече, 1 степенью свободы в локте, 1 степенью свободы для вращения предплечья и 2 степенями свободы в кисти. Такая типичная конфигурация руки позволяет манипулировать внешней средой с достаточной ловкостью, а также использовать 1 дополнительную степень избыточности для непредвиденных ограничений окружающей среды в пространстве задач. Длины сегментов робота WALK-MAN и диапазон значений углов поворотов шарниров представлены на рис. 6, из которого видно, что руки по отношению к телу достаточно длинные, таким образом, разработчики, согласно источнику ^{[16, с. 37]}, хотели увеличить рабочее пространство для манипуляций и, в частности, для уменьшения расстояния рук от земли. Такая длина рук при большом росте упрощает доступ к объектам, находящимся на небольшой высоте, и позволяет производить захват при небольших изменениях положения корпуса. Также были выдвинуты предположения, что удлиненные руки будут более эффективны при достижении земли или внешней среды во время восстановления балансировки для предотвращения сбоев.

Рис. 6. Габаритные размеры робота WALK-MAN

Общий вес робота WALK-MAN составляет 132 кг, из которых 14 кг составляет вес силового агрегата, а 7 кг – вес конструкции защитной дуги вокруг туловища и головы.

Конструкция робота WALK-MAN позволяет получить:

– высокое соотношение мощности и веса и уменьшенную инерцию ног для максимизации динамических характеристик;

– большой диапазон движений суставов для достижения движений человека;

– повышенную физическую выносливость.

Для оптимизации конструкции, направленной на вышеуказанные задачи и максимизацию физических характеристик, следует внести конструктивные особенности в выбор кинематической структуры, расположение приводов и их интеграцию с конструкцией (для увеличения диапазона движений), уменьшение массы и инерции конечностей и формирование распределения массы ног (для улучшения динамических характеристик). Физическая прочность обеспечивается благодаря интеграции эластичных покрытий, передающих и поглощающих энергию удара.

Одна из ключевых технологий робота WALK-MAN – это серия приводов Elastic High-End Actuation (SEA), которая была специально разработана для целей проекта. У новой модели высокая удельная мощность и хорошая устойчивость при ударах, технические характеристики робота в зависимости от выбора двигателя представлены на рис. 7.

Рис. 7. Технические характеристики робота WALK-MAN при различных типах двигателя

Мощность от исполнительного устройства передается на все шарниры с помощью распределенного дифференциального механизма. Система распределения использует структуру на основе сухожилий человека, которая соединяет все суставы руки. Физические характеристики взаимодействия улучшаются из-за активной и пассивной адаптации, благодаря системе, которая сочетает в себе высокопроизводительные модули с настроенными кривыми крутящего момента / скорости и эластичностью трансмиссии для высокоскоростной реакции адаптации и реакции движения на возмущения.

Кисть комплекса приводится в действие двигателем KollMorgen мощностью 30 Вт с редуктором Harmonic Drive HFUC ‐ 8‐100 с передаточным числом 100:1. Система привода воздействует на волоконную связку Dynema диаметром 0,8 мм и максимальной прочностью 1100 Н, материал для кисти – высокопрочный алюминиевый сплав, электронные платы размещены в соединении запястья под защитой рамы из алюминиевого сплава, пальцы и ладонь покрыты специальной мягкой резиновой оболочкой. Общий вес составляет примерно 1.3 кг. При силовом захвате ладонь способна оказывать максимальное статическое усилие захвата от 80 до 150 Н и максимальный статический момент захвата ‑ от 2 до 5 Нм, максимальная статическая вертикальная подъемная сила равна 160 Н.

Основные проблемы робота WALK–MAN^{[17, с. 37]}:

Большой вес робота замедляет систему, уменьшая скорость работы.

При предложенной разработчиками конфигурации РТС, недостаточно хорошие физические характеристики верхних конечностей для стабильной работы и выполнения поставленных задач.

Также использование РТК затрудняется из-за его долгого быстродействия, что приводит к плохой эффективности выполняемых действий.

Робот ASIMO, Япония

После аварии на АЭС Фукусима-1, японская компания продемонстрировала усовершенствованную модель человекоподобного робота ASIMO, оценивающего окружающую среду и взаимодействующего с ней, а также предсказывающего действия людей, внешний вид РТС представлен на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид робота ASIMO

Согласно официальным техническим данных компании Honda ^{[18, с. 37]}, конфигурация модели ASIMO представляет собой систему с 57 степенями свободы, которые помогают ей ходить и выполнять задачи, имитируя деятельность человека, степени свободы показаны на рис. 9. Одна степень свободы обеспечивает оптимальное движение и гибкость в суставах конечности. Сама конструкция выполнена из магниевого сплава, а техническое оснащение содержит в своем арсенале мощные компьютеры и 57 серводвигателями, что позволяет роботу двигаться плавно и легко.

Габаритные размеры модели робота и основные характеристики комплекса представлены на рис. 10.

Рис. 9. Демонстрация степеней свободы по сочленениям робота ASIMO

Рис. 10. Характеристики робота ASIMO

Согласно источнику ^{[19, с. 37]}, габариты робота равны 0.45 м х 0.34 м. Время работы: 40 минут во время бега, но возможно более длительное время работы благодаря функции независимой самозарядки. В данной конфигурации используется литий-ионная батарея. Характеристики двигателя продемонстрированы на рис. 11.

Рис. 11. Характеристики двигателей робота ASIMO

Недостатки модели ASIMO^{[20, с. 37]}:

Несмотря на достижения в области стабильной динамической ходьбы для многих гуманоидных роботов, была достигнута относительно небольшая автономия навигации. Так, например, у некоторых антропоморфных моделей отсутствует возможность автономного выбора положения ступни для обхода препятствий при ходьбе. Также присутствует проблема расстановки ног в недетерминированной среде.

Недостаточно хороший источник энергии ^[20] относительно примеров спасательных операций.

Эффективность антропоморфных роботов зависит от функциональности антропоморфного захвата. Допустимый объем использования двигателей и его ограничения – основные проблемы при разработке захвата.

В таблице 2 приведен сравнительный анализ двуногих шагающих моделей. В таблице 3 подведен промежуточный итог анализа антропоморфных шагающих роботов.

Таблица 2. Сравнительный анализ антропоморфных шагающих роботов.

Таблица 3. Анализ антропоморфных шагающих роботов.

Робот Isopod, ‑

Разрабатываемый русским конструктором Игорем Лобановым, робот Isopod представляет собой небольшое устройство с камерой и средствами аудио- и видеосвязи, предназначенного для проведения разведки в районах стихийных бедствий.

Насколько известно, реального примера такого робота пока не существует, на данный момент, это только концепт, представленный на рис. 12.

Рис. 12. Внешний вид робота Isopod

РоботQRoSS, Япония

Конструкция представляет собой шагающий четвероногий робот со сферической оболочкой, которую можно наблюдать на рис. 13 ^{[21, с. 37]}. РТС «QRoSS» – это робот-трансформер, который может держать свои ноги в сферической оболочке. Оболочка не только поглощает внешние силы со всех сторон, но и повышает мобильность благодаря своей круглой форме. При проведении спасательных операций на месте бедствия таких роботов можно бросить внутрь.

Для проверки базовой мобильности был поведен эксперимент с ходьбой, используя походку ползанием. Эта походка – статическая ходьба по многоугольнику опоры. Если коэффициент заполнения походки уменьшался, робот не мог ходить устойчиво, так как положение центра тяжести отклонено от многоугольника опоры и его запас устойчивости становился слишком низким.

При достаточном коэффициенте заполнения, была достигнута стабильная походка, со скоростью, равной 0.03 м / с. Робот мог перемещаться в 4 основных классических направлениях независимо от направления тела. Максимальная длина шага составляла 120 мм, запас устойчивости у модели 13.1 мм, остальные характеристики представлены на рис. 14.

Минусы работы робота QRoSS:

Роботы-спасатели должны перемещаться из безопасной зоны в места проведения исследований. Это потребляет ограниченные ресурсы энергии, тем самым сокращая время работы.

Проскальзывание конструкции (и оболочки, и конечностей) при наклоне горизонтальной поверхности больше 20°.

Робот HydraulicQuadrupedRobot, США

Еще один достаточно популярный представитель шагающих роботов ‑ гидравлический четвероногий HyQ, представленный на рис. 15. Его вес составляет 75 кг, а высота достигает 1 м. Робот практически сразу продемонстрировал хорошее автономное преодоление ранее неизвестных препятствий.

Согласно работе ^{[22, с. 37]} модель представляет собой робота с гидравлическими конечностями, основанного на гибридном силовом управлении. РТК полностью управляется крутящим моментом и оснащен прецизионными кодировщиками суставов, камерой глубины (Asus Xtion) и блоком инерциальных измерений (MicroStrain). Физические характеристики модели представлены на рис. 16. Длина ног колеблется от 0.339 до 0.789 м, а расстояние между бедрами спереди и сзади составляет 0.75 м.

В изученной работе робот двигался со средней скоростью тела – 0.18 м/с, а максимально допустимое угловое ускорение вычисляется с использованием матрицы инерции корпуса HyQ, из вычислений которых получилось значение 0.11 рад / с2. Массы ног рассматриваемой модели составляют 8% веса робота.

Преодоление препятствия было проведено в работе ^{[23, с. 37]}, в ней было выявлено, что максимальная высота ступеньки достигает 15 см, что является 20% длины ноги, при скорости 7–13 см / с.

Недостатки робота HyQ:

Для более эффективного и стабильного передвижения на ногах нужны интеллектуальные алгоритмы изменения жесткости в зависимости от походки робота и параметров окружающей среды.

Гидравлические системы чаще всего энергетически неэффективные, особенно при работе с постоянным давлением. Ошибка между желаемой и достигнутой опорой составляет 8 см, что все равно уменьшает вероятность успеха на ступеньках.

У такого робота присутствует потребность в точной экстероцептивной локализации внешней среды, которая может быть проблематичной в средах с недостаточными геометрическими или визуальными характеристиками.

Роботы Boston Dynamics Spot and SpotMini, США

Знаменитые роботы Boston Dynamics Spot и SpotMini, которые у всех на слуху и уже давно продемонстрировали способность преодолевать труднопроходимую местность, включая лестницы, с высокой скоростью, показаны на рис. 17. Однако информации об этой технологии и экспериментальной установке очень мало ^[23].

Рис. 17. Внешний вид роботов Spot (слева) и SpotMini (справа)

Серия Spot (Spot Classical) и SpotMini (Spot) – это четвероногие роботы, разработанные Массачусетской фирмой Boston Dynamics для коммерческого рынка и продвигаемые через онлайн-видео. Постоянные колебания домашней и офисной среды, как с точки зрения содержания, так и конфигурации представляют собой реальную проблему для компьютерного зрения, которое Spot и SpotMini используют для навигации ^{[24, с. 37]}.

Эти роботы известны своими проворными рефлексами, подобными животным, они могут ходить, бегать рысью, избегать препятствий, подниматься по лестнице и нести на спине до 14 кг дополнительного оборудования ^{[25, с. 37]}.

Согласно ^[24] работе РТС Boston Dynamics Spot весит 75 кг. Он может достаточно легко и спокойно подниматься по лестнице, открывать двери.

Boston Dynamics SpotMini имеет высоту 0.84 м, в общей сложности состоит из 17 шарниров и весит 30 кг, а ноги могут быть удлинены для эргономики робота. В одном из выпущенных видеороликах РТК скользит по бананам, специально установленным, чтобы продемонстрировать его способность вставать обратно без посторонней помощи. Известно, что скорость Spot составляет 1.6 м / с.

Для навигации и распознавания объектов Spot и SpotMini полагается на компьютерное зрение. «Испытательная лаборатория» Boston Dynamics оценивает распознавание объектов и пространственную ориентацию.

SpotMini обладает гораздо более компактными размерами и может быть оснащен, по желанию, многофункциональным “манипулятором”, позволяющим ему брать предметы и вставать при падении. Также, стоит учесть, SpotMini – самый тихий робот компании.

Недостатки роботов Spot and SpotMini

Модели не предназначены для коммерческого использования, они носят исключительно исследовательский характер.

Для использования их компьютерного моделирования необходимо устанавливать определенные основные истины об объектах и пространствах.

Робот Рысь-БП (БПМРБ400), Россия

Робот Рысь – это военная разработка, представлена на рис. 18. Одна из основных функций заключается в эвакуации убитых и раненых с поля боя ^{[26, с. 37]}.

Рис. 18. Внешний вид робота Рысь-БП

Состав робота и платформы представлен ниже в выжимках технического задания. Длина робота ‑ около 2 м, высота модели составляет 1.2 м, вес ‑ не более 400 кг.

«Рысь-БП» — биоморфный робот на четырёх ногах. В планах инженеров вооружить его пулемётом и противотанковыми управляемыми ракетами. Данная РТС может использоваться в 3 направлениях: как робот разведки, как робот боевой поддержки и как робот для переноски грузов ^{[27, с. 37]}.

Выдержка из технического задания робота Рысь:

Базовая платформа среднего мобильного биоморфного робота массой до 400 кг

Сокращенное наименование – БПМБР400.

В состав БПМРБ400 должны входить:

– платформа;

– аппаратура управления движением;

– система электропитания;

– аппаратура подъёма робота после опрокидывания;

– программный комплекс.

В состав платформы должны входить:

– корпус;

– 4 рычажных движителя;

– приводы движителей.

Целевая нагрузка определяет функциональное назначение.

На БПМБР400 должна устанавливаться одна из целевых нагрузок:

– средства разведки;

– платформа перевозки боеприпасов и амуниции;

– средства эвакуации убитых и раненых с поля боя;

– средства разведки минно-взрывных заграждений;

– средства вооружения.

При установке на БПМБР400 платформы перевозки боеприпасов и амуниции общая масса боеприпасов и амуниции должна быть до 200 кг.

БПМБР400 с установленными системами и аппаратурой управления и целевой нагрузкой, в том числе с загруженной платформой перевозки боеприпасов и амуниции, должен обеспечивать:

– передвигаться по любым поверхностям;

– по воде глубиной до 40 см;

– порогов высотой до 500 мм;

– скорость движения полностью оснащенного с полезной нагрузкой:

– до 15 км/ч при движении по равнинной местности;

– до 10 км/ч при движении по пересеченной местности.

– адаптацию положения опорных поверхностей комплекса, в соответствии с рельефом местности в автоматическом режиме;

Управление функционированием БПМБР400 должно осуществляться от бортовой информационно-управляющей системы и аппаратуры планирования маршрутов и перемещений в режимах управления движением: дистанционном, полуавтономном, автономном и следования за маяком (поводырем).

Масса оснащенного и заправленного МБР400 должна быть не более 400 кг.

Общая масса боеприпасов и амуниции транспортируемая МБР400 должна быть до 200 кг.

Габаритные размеры БПМБР400 без целевой нагрузки и антенн должны быть не более:

– в боевом положении – не более 2000х1000х1200 мм;

– в транспортном положении – не более 2000х1000х600 мм.

В состав аппаратуры электропитания должны входить:

– автономный электроагрегат на двигателе внутреннего сгорания с дистанционным управлением;

– аккумуляторные батареи;

– блоки управления, коммутации и защиты;

– топливный бак.

Должна обеспечиваться подзарядка аккумуляторных батарей при работе электроагрегата. Должна обеспечиваться зарядка аккумуляторных батарей от устройства зарядки (из состава ПДУ).

Должна обеспечиваться возможность электроснабжения МБР400 от бортсети ПДУ и от промышленной сети напряжением 380/220( 10%,-15%) В с частотой 50 1 Гц (ГОСТ 11295-65) через преобразователь напряжения, который должен входить в комплект ЗИП-Г.

Недостатки робота Рысь-БП:

Классические недостатки шагающих роботов, возможно, присутствуют, но корректно оценить систему нельзя, так как данные по большей части скрыты, ведь проект относится к военным разработкам.

Робот Centauro, Италия

Модель представляет собой робота-кентавра, разработанного исследователями-робототехниками из Итальянского технологического института. Данная модель предназначена для участия в операциях по поиску и спасению людей, пострадавших в результате стихийных бедствий и техногенных катастроф, и продемонстрирована на рис. 19.

Рис. 19. Внешний вид робота Centauro

Четыре из шести конечностей оснащены колесами. Основный типом передвижения – является колесный способ, но можно переключиться на «шагающий» режим для прохождения одиночных препятствий и лестниц. Согласно данным из ^{[28, с. 38]} число степеней свободы составляет 42, вес ­ 92 кг, длина/ширина равны 61 см, высота – 112 см (с согнутыми “ногами”) и 171 см в крайнем положении. Диапазон возможных перемещений приводов представлен на рис. 20, а на рис. 21 – основные характеристики приводов.

Основная подсистема зрения и восприятия робота ‑ это головной модуль, который размещается на верхней части туловища и включает в себя набор камер и датчиков. Он включает в себя:

‑ платформу подвижности с двумя степенями свободы для датчика Kinect 2 в нижнем слое для генерации рысканья и тангажа этого датчика RGB-D соответственно;

‑ структуру для массива из трех цветных камер (широкоугольные камеры PointGrey BlackFly BFLY-U3-23S6C) на среднем уровне для установки этих камер на основании головы;

‑ поддерживающую балку с одинарной глубиной резкости с непрерывным вращением для 3D-датчика LiDAR (датчик Velodyne PUCK) на верхнем слое, чтобы обеспечить сферическое покрытие окружающей среды вокруг робота.

Кроме того, под основанием РТК установлены две дополнительные камеры RGB-D, чтобы видеть его ноги. Также, обе руки могут быть оснащены боковыми камерами RGB или RGB-D в зависимости от задач и целей работы. Робот Centauro также включает в себя инерциальный измерительный блок, установленный в центре модуля торса, для контроля состояния торса с точки зрения ускорения и ориентации. Для повышения качества считывания и связи датчиков силы / крутящего момента в электронный модуль этих устройств добавлен более эффективный источник питания, обеспечивающий более низкий уровень шума и более высокую надежность связи при измерениях.

Недостатки робота Centauro

Универсальность мобильности увеличивает количество ограничений в управлении движением, где необходимо учитывать как свойства колесных, так и опорных (ножных) функций. В соответствующих схемах управления движением на ногах и колесах предпринимались попытки решить эту проблему путем использования раздельного управления движением колесных и опорных функций.

Строгий контроль за добавленными сверху руками-манипуляторами, иначе робот может опрокинуться из-за смещенного равновесия.

Робот Pleurobot, Швейцария

Исследуемый робототехнический механизм на рис. 22 напоминает саламандру и может быть использован в двух направлениях: помощь нейробиологам в разработке новых методов лечения больных с травмой спинного мозга и помощь в поисково-спасательных операциях. Саламандры напоминают древние окаменелости первых наземных позвоночных существ, благодаря такой особой форме врачи могут разрабатывать более эффективные методы реабилитации пациентов, которые не могут ходить. Также, имея такую форму, робот может перемещаться и проникать практически в любые места, вдобавок специально для него был создан плавательный костюм для спасения людей не только на суше, но и под водой.

Согласно работе ^{[29, с. 38]}, РТС Pleurobot – это динамически масштабируемый робот-амфибия с большим количеством задействованных степеней свободы (всего 27 степеней свободы). Геометрические параметры и основные характеристики РТК представлены на рис. 23.

На рис. 24 обозначаются 27 моторизованных степеней свободы, а также обозначаются и две пассивные степени свободы (т.е. неактивированные свободные суставы, около задней левой конечности и самая крайняя ось хвоста). Результаты оптимизации позвоночника вместе с сегментированными конечностями позволяют имитировать различные походки, такие как ходьба, плавание и водные шаги. Конструкция робота состоит из трехмерных печатных деталей (белые), 27 стандартных серводвигателей (черные), силиконовые ножки и гибкий хвост. Водонепроницаемый купальный костюм из ткани Lycraw Nylon, ламинированной слоем полиуретана толщиной 1 мм, завершает конструкцию, позволяющую передвигаться как в земной, так и в водной среде.

Рис. 24. Кинематическая схема робота Pleurobot

В работе ^{[30, с. 38]} скорость робота указана как значение 0.1745 м / с. Также важно отметить, что обработка информации от бортовых датчиков на конечностях робота сложнее колесных / летающих роботов.

Минусы работы робота Pleurobot

Модель имеет малую характеристику полезной нагрузки ^{[31, с. 38]}.

В течение ходьбы у роботов на ногах появляется проскальзывание ног, которое ухудшает точность движения. Также из-за бокового к боковому движению сигналы датчиков колеблются ^[30].

Робот MessorIIrobot, Польша

Робот представляет собой шестиногую конструкцию, показанную на рис. 25. Каркас состоит из алюминиевых панелей и элементов, выполненных с помощью технологии 3D-принтера, как указано в исследовании ^{[32, с. 38]}. Конечность ноги выбрана трехзвенная, тогда длины сегментов ног соответствуют следующим значениям: 0.049 м, 0.120 м, 0.174 м.

Рис. 25. Внешний вид Messor II

Робот следующего поколения Messor II может нести более сложные датчики и выполнять сложные задачи. В первом эксперименте работы были задействованы локомотивные функции РТС. Затем были разработаны алгоритмы подъема по лестнице и по преодолению других городских препятствий. Кроме того, было проведено исследование оптимизации позы.

В каждом шарнире установлены серводвигатели, которые позволяют задавать исходную конфигурацию робота. Соответствие поведения РТК на пересеченной местности достигается с помощью контактных датчиков, прикрепленных к каждой ноге. При движении изменятся значение максимального крутящего момента, прилагаемого каждым серводвигателем, что позволяет снизить неожиданный удар о землю.

Робот оснащен системой ориентации и направления (AHRS) XSens MTi, которую можно использовать для определения местоположения и стабилизации платформы во время движения на пересеченной местности. Основным датчиком, используемым для навигации, является датчик Asus Xtion, установленный на верхней части платформы.

Данные, необходимые для локализации робота и плотного картографирования, предоставляются датчиком RGB-D. Алгоритм локализации использует как изображения RGB, так и изображения глубины.

Проблематика робота Messor II

Нога робота Messor II имеет 3 степени свободы (степеней свободы), поэтому можно установить положение только кончика стопы.

Вращательная часть зависит от выбранного положения и устанавливается при вычислении обратной кинематики, но на практике робот имеет сферические и эластичные ножки, которые могут вращаться и пассивно адаптироваться к наклону местности.

Также одна из основных проблем – необходимость постоянной локализации.

Робот ANYmalC, Швейцария

Компания ANYbotics к 2023 году представила обновленную водонепроницаемую версию своего четвероногого робота, так например, в данную версию были добавлены новые встроенные датчики для навигации ^{[33, c. 38]}. Ученые смогли заставить робота двигаться со скоростью 1 м / с, а также выполнять различные задания в течение 2 часов. Новой функцией является возможность самостоятельного возврата к зарядке при разряжении аккумулятора и функция автоматического сообщения о данной ситуации. Также последняя модель во время стыковки для автономной подзарядки получила возможность инспекционной полезной нагрузкой в качестве опции.

Новая версия поддерживается на трёхсегментной ноге, каждая часть которой соединена мощными сервоприводами, помогающая переносить дополнительный груз массой до 10 кг. Робот сконструирован из единого легкого корпуса из углеродного волокна с 12 идентичными шарнирными узлами. Последний внешний вид модели представлен на рис. 26. Новая представленная и рассматриваемая версия была переработана с акцентом на повышение производительности в отношении срабатывания (новые приводы), вычислительной мощности (новые Hexacore Intel i7), навыков передвижения и навигации, а также автономности (новые камеры глубины). Дизайн описываемой модели гораздо более интегрирован, чем его предшественник, что увеличивает как производительность, так и надежность.

Габариты РТС действительно небольшие, 1.05х0.5х0.83 м в обычном состоянии, а для преодоления невысоких проемов высота может уменьшаться до 50 см, при массе в 50 кг ^{[34, c. 38]}. С помощью лидара в верхней части корпуса, а также камер по бокам, робот может ориентироваться на местности, создавая высокоточную трехмерную карту, в дополнение для помощи оператора установлены спереди и сзади широкоугольные камеры.

В работе ^{[35, с. 38]} говорится, что система регулируется по крутящему моменту и очень устойчива к импульсным нагрузкам во время бега или прыжков.

РТК приспособлен подниматься по лестнице с уклоном 45° или подниматься по поверхности с наклоном в 20°. Время автономности системы от одного заряда аккумулятора составляет от 2 до 4 часов. При минимальном заряде робот сам возвращается к станции зарядки. Эксплуатационные испытания шарнирных приводов показали, что полоса управления крутящим моментом составляет более 70 Гц, а для работы на полной скорости требуется менее 280 Вт, также была замечена высокая способность подавления помех. Структура строения тела робота представлена на рис. 27.

В качестве вычислительной техники используется компьютер с 3 высокопроизводительными процессорами, имеется возможность подключения дополнительных плат для возможности использования модуля с поворотной инфракрасной камерой и подсветкой.

Согласно данным источника ^{[36, с. 38]}, такая конструкция и оснащение позволяет роботу определить температуру, давление воздуха, содержание газов, состояние почвы, а еще РТС может анализировать звуки и искать объекты, в добавок открывать двери, нажимать кнопки с помощью дополнительного рычага.

Изначально РТК предназначается для вспомогательных для человека работ, в основном это задачи удаленной проверки, когда необходимо перемещаться через сложную среду, в которую нежелательно отправлять человека, в не зависимости от причин, будь то моральные, этетические или же предположительно наносящие вред здоровью человека. Согласно идее разработчиков робот может пригодиться на обширной местности, например, на промышленных площадках, в лесной и болотистой местности, на мусорных полигонах и в разрушенных зданиях, для поисково-спасательных операций, для доставки посылок, контроля состояния автономных устройств и как развлекательный контент.

Данная система была показана в одном из эпизодов сериала «Секретные материалы» в 2023 году и даже пожимал «руку» президенту Швейцарии.

Недостатки робота ANYmal C

Несмотря на современные технологии, остается проблема выбора точек опоры в очень неровной и загроможденной окружающей среде. В алгоритмах управлении была замечена ошибка в обычной стойке, которая является для некоторых задач локальным минимумом, что ведет к неправильной работе и затруднениям при реализации действий.

По итогу, робот представляет собой очень сложную динамику с множеством скрытых внутренних состояний, к которым нет прямого доступа, именно такое строение усложняет проблему контроля РТК.

Работники компании продолжают изучать проблемы удаленного управления, особенно это касается задач, для которых необходима работа робота на больших расстояниях от человека-оператора.

Разработчики компании поставили себе цель в универсальности данной модели, тогда как найти оптимальные маневры для задач большой размерности достаточно сложно, а тем более настроить выполнение их на реальном роботе, на достойном уровне.

Робот LaikaGo, Китай

В 2023 году китайская компания Unitree Robotics показала свою версию SpotMini от Boston Dynamics для совместной работы по перевозке грузов, переноске человека, буксировке легкового коммерческого автомобиля и перетягиванию каната при групповом управлении ^{[37, с. 38]}. Модели LaikaGo своим именем отдают дань уважения собаке-космонавту Лайке – первому животному, выведенному на орбиту Земли, китайцы используют такое имя как символ открытия нового и расширения границ человеческих возможностей. Внешний вид китайского робота можно увидеть на рис. 28.

Каждая нога РТК состоит из 3 сервомоторов, а габариты устройства составляют 560х350х600 мм при весе 22-25 кг, в зависимости от комплектации и добавленных улучшений. По техническим возможностям он может переносить груз массой до 5 кг при скорости до 0.8 м / с и автономности на одном заряде бортового литий-ионного аккумулятора около 3-4 часов (емкость аккумулятора 13000 мАч).

Рис. 28. Внешний вид робота LaikaGo

Согласно документации ^{[38, с. 38]} поддерживается как автономное, так и ручное управление при помощи пульта с полностью контролируемым роботом движением ног. Также как и оригинал, устройство выдерживает боковые удары, незамедлительно реагирует на наклон поверхности благодаря трёхосевой системе стабилизации движения. В ходе экспериментальных тренировок было вычислено, что максимальное тяговое усилие равняется около 25 Н, а максимальный угол наклона склона для устойчивой ходьбы – 20°.

Система оснащена адаптивной интеллектуальной системой контроля положения и может стабильно работать на разных поверхностях в разных сферах применения (патрулирование территорий, поисково-спасательные операции, доставка товаров и прочее). Также платформа позволяет расширить комплектацию за счет любых дополнительных модулей (камеры, LIDAR, роботизированные руки, систему GPS и другие системы), при этом движение робота все равно остается «идеально» плавным, как сообщает техническая документация.

На данный момент стоимость робота составляет около 45 000 долларов США, но в планах у компании представить улучшенную модель, известную как Aliengo. Сообщается, что такая модель будет легче, чем существующая, будет использоваться более мощный процессор, а также будет добавлена встроенная в тело система компьютерного зрения.

Сложности работы робота LaikaGo

На данный момент первоначальная цель робота заключалась в создании исследовательской платформы для робототехников. Проект по большей части является открытым, и любой желающий может предложить свои идеи по новым навыкам, внеся соответствующие изменения в программное обеспечение и комплектацию.

В таблице 4 приведен сравнительный анализ многоногих шагающих моделей. В таблице 5 подведен промежуточный итог анализа многоногих шагающих роботов.

Таблица 4. Сравнительный анализ многоногих шагающих роботов.

Таблица 5. Анализ многоногих шагающих роботов.

Мягкий робот, США

Далее следует рассмотреть бесхребетные разработки, работа которых может производиться в тесноте. Недавно был представлен новый ползучий бионический мягкий робот ^{[39, с. 38]} на основе проволочного механизма, который может преодолевать препятствия лучше, чем перистальтический ползущий робот. Его внешний вид продемонстрирован на рис. 29.

В рассмотренной работе анализировались напряжения и деформации основной части робота, так как суставы и голени изготавливаются из твердых материалов, а бедра – из мягкой силиконовой резины. Бедро выдерживает нагрузку при сгибании, и его легко повредить от усталости. Таким образом, основной корпус робота важен для анализа моделирования. Габаритные характеристики указаны на рис. 30.

Когда робот ползет по земле, максимальный угол изгиба бедра составляет 45° при колебаниях циклического напряжения. Сустав между бедром и центром выдерживает допустимую максимальную нагрузку. Максимальное напряжение составляет 0.26635 МПа, максимальная деформация составляет 0.11768, усталостная долговечность бесконечна, минимальный коэффициент безопасности составляет 2.478, а расчетный предел усталости равен 0.66 МПа.

Недостатки мягкого робота:

Мягкий робот не гибридной конструкции для перемещения использует воздух под низким давлением. Такие роботы могут легко изгибаться, проникать в разные щели и не бояться повреждений, но также при достаточно точных расчетах ошибка позиционирования будет достаточно критичной. Также могут возникнуть проблемы с источником воздуха при передвижении.

Четвероногая конструкция дает устойчивость в движении, при этом ограничивая адаптивность робота.

Робот – гусеница, США

Новая методика (оптогенетика) позволила учёным создать биороботов, способных самостоятельно передвигаться и реагировать на световые воздействия. Миниатюрные робототехнические системы на рис. 31 приводятся в движение модульными кольцевыми формами, выращенными из клеток мыши и похожими на крошечные резинки для волос.

Мышечная ткань оборачивается вокруг напечатанного гибкого каркаса, длина которого от 6 миллиметров до 2 сантиметров. Таким образом, появляется возможность создавать биороботов разнообразных размеров и форм для различного применения. Соединяя любые два сустава напечатанного скелета, можно создать робота с несколькими ногами, управление которого будет осуществляться с помощью света, позволяющего контролировать направление движения системы. Примеры некоторых форм приведены на рис. 32.

Роботы, которые изучаются и создаются в работе ^{[40, с. 38]}, более мягкие, и, как думают авторы этого исследования, дружелюбнее, то есть не из жесткого пластика и металла. Биогибридные роботы часто состоят из напечатанных на 3D-принтере каркасов, пронизанных выращенными в лаборатории мускулами, полученными из клеток мышей, насекомых и даже морских слизней.

В подкасте ^{[41, с. 39]} заметили, что, как и обычными РТК, биогибридными роботами можно управлять с помощью микроконтроллеров, но инженеры также наращивают мышцы, управляемые нейротрансмиттерами и световыми импульсами. Инженер Массачусетского технологического института (MIT) Рита Раман экспериментировала в своей работ ^{[42, с. 39]} с обоими типами биологических машин и даже создала биоботов, которые могут лечить себя после травмы и возвращаться к работе.

Также в этой работе средняя скорость движения биоботов Риты Раман 2-й группы упражнений составляет 312 ± 63 мкм / с. Стереолитографические системы основаны на процессе фотополимеризации или инициируемой светом полимеризации для создания трехмерных структур. В целом стереолитографические процессы можно разделить на две широкие категории методов, которые различаются по способу возбуждения и поглощения света, запускающего процесс полимеризации.

Биороботы, а также стереолитографические машины, основанные на облучении видимым светом, обладают преимуществом обеспечения точного пространственного и временного контроля кинетики реакции, поскольку они регулируются исключительно простотой манипулирования светом.

Недостатки роботов-гусениц:

Движение данных роботов основано на свете, в то время как при поисково-спасательных операциях часто происходят при недостаточном количестве света, что является значительным недостатком ^{[43, с. 39]}.

Согласно данным из исследования ^[42], такая маленькая скорость роботов может быть критичной и нецелесообразной для спасательных операций.

Робот CRAM, США

Помимо работы с насекомыми и мышцами животных, ученые запускают в производство роботов, напоминающих своим передвижением животных, способных проникнуть в завалы из-за своих размеров. Исходя из опытов, таракан в сплющенном состоянии использует не свои лапы, а отростки на лапках. Используя полученные данные, исследователи из Калифорнийского университета создали робо-тараканов, пролезающих через зазор в 6 миллиметров благодаря переориентации ног, расположенных на рис. 33. Да и сами роботы невелики, их высота в обычном состоянии равна 7 миллиметрам, но при этом они способны выдерживать давление в 900 раз превышающее вес их тела.

И этот робот из исследований ^{[44, с. 39]} заползает, втискиваясь в пространство меньше половины его 7-миллиметрового размера высоты. Такой робот может быстро перемещаться через трещины, шириной 3.6 сантиметра, и достаточно прочен, чтобы нести на себе целый ряд датчиков, таких как камера, микрофон, датчик CO2 или датчик температуры.

Изучая американских тараканов, разработчики обнаружили новый для них способ передвижения («ползание ног с трением тела»), при котором единственные точки трения насекомого находятся на животе и спине. Используя ту же технику, CRAM может протискиваться сквозь завалы в поисках жертв катастрофы ^[44].

Таракан CRAM может точно определить местонахождение похороненного выжившего глубоко в куче обломков. В дальнейших планах авторов на работу этого робота были задачи по уменьшению размеров, по ходьбе по стенам, они хотели научить его лазить и заниматься другими делами, помогающими при спасательных операциях.

Проводились эксперименты с живыми тараканами, им нужно было пройти через узкие щели, затем ползли в пространствах, ограниченных вертикально двумя сложенными горизонтальными пластинами со скоростью около 60 см / с. Затем в таких же условиях оказывался робо-таракан, а их результаты и прохождение эксперимента сравнивались. Примеры проведения и результатов экспериментов расположены на рис. 34.

Недостатки робота Cram:

Рассматриваемая версия – всего лишь прототип, по которому проводились дополнительные исследования ^{[45, с. 39]}. Как признались сами авторы, конечности CRAM не многофункциональны, как и сам робот-прототип.

При прохождении очень узкую щель, на наименьшей высоте, животные испытывают наибольшее сжатие тела и трение, также как и в настоящее время, робот, соответственно, внутренняя оснастка должна соответствовать значениям максимально возможного сжатия.

Основным ограничением современных мягких роботов является то, что инженеры полагаются на мощность и / или управляющие сигналы, передаваемые через пневматические и / или электрические тросы, что делает их очень тяжелыми, например, 1.2 кг для его габаритов, что опасно для них.

В таблице 6 приведен сравнительный анализ шагающих моделей с альтернативными видами движителей. В таблице 7 подведен промежуточный итог анализа шагающих моделей с альтернативными видами движителей.

Таблица 6. Сравнительный анализ шагающих моделей с альтернативными видами движителей.

Таблица 7. Анализ шагающих моделей с альтернативными видами движителей.

Результаты исследования

Подводя итог вышеприведённому исследованию рынка шагающих роботов, можно сделать следующие выводы:

1. Окружающая природа продолжает вдохновлять людей на новые открытия в области робототехники. Благодаря изучению насекомых и животных процесс создания прототипов становится легче.

2. Каждая модель имеет ряд коррелирующих недостатков. Двуногие – габариты, неустойчивость, медлительность, многоногие – сложность систем, недостаток подходящих компонентов, проблемы энергозатратности.

3. Невозможность применяемости моделей. Многие модели имели большой потенциал, но дальше прототипов и конференций не проходили и не находили работы. Возможно, дело в финансировании, возможно, в сложности выполняемых задач и в сложности среды использования.

Основные результаты анализа представлены в таблице 8:

Таблица 8. Результаты сравнительного анализа шагающих роботов.

Выводы

Таким образом, результатом моего исследования является выявление современных проблем использования шагающих роботов для спасательных операций. Задача моей работы указать на недостатки имеющихся систем, обратить внимание на незаслуженно обделенные разработки, предложить варианты исправления возникающих проблем.

Данные результаты могут помочь будущим изобретателям обратить внимание на конкретные проблемы и их проработку, укажет на достоинства разработок, которые можно будет изучить и адаптировать в собственных работах. К сожалению, мои выводы ограничены статьями, докладами, презентациями работы моделей, к тому же, не учитывается разнообразие каждой группы по классификации шагающих роботов.

На основе приведенного анализа, мое дальнейшее исследование будет заключаться в проработке некоторых недостатков для разработки собственного РТК. Также в дальнейшем необходимо детальнее рассмотреть проблемы кинематики, динамики, механики, а также управления шагающих роботов.

Заключение

В результате проведенной работы были раскрыты определенные проблемы на конкретных моделях. Проблемы были выделены в логические группы и выявлены на основе экспериментов и состязаний с независимой точки зрения.

Таким образом, главная задача статьи по анализу существующих решений была выполнена. Основные проблемы антропоморфных роботов – их неустойчивость и медлительность, для шагающих роботов с большим количеством ног – отсутствие надежных компонентов, энергозатратность. Также большой проблемой современного общества является малая применяемость разрабатываемых теорий и прототипов на практике.

По моему мнению, данное исследование поможет разработчикам обратить внимание на важные недостатки и определенные достоинства конкретных шагающих роботов, что позволит им сократить время на существенные доработки и изменения в прототипах и своих научных работах. Предложенный в статье анализ позволяет упростить трудоемкий ручной процесс исследования существующих и используемых РТК, дифференцируя интерес к определенной группе шагающих роботов, не упуская возможности обратить внимания на преимущества и возможные последующие адаптации других изученных в данной статье моделей.

Библиография

References

Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также
попробовать найти похожие
статьи

Ларкина В.А. Шагающие роботы для спасательных операций. Обзор и анализ существующих моделей // Кибернетика и программирование. — 2023. – № 1. – С.35-73. DOI: 10.25136/2644-5522.2023.1.35862 URL: https://e-notabene.ru/kp/article_35862.html