Роботы из бумаги » Роботы своими руками

Конструкции

Самый первый в мире шагающий робот, способный в полном смысле этого слова передвигаться на двух ногах, был разработан в Университете Васэда под руководством д-ра Кадо. Общий вид этого робота показан на рис. 4.49, а на рис. 4.50 представлены кинематические схемы, иллюстрирующие особенности степеней подвижности этого робота.

Как следует из рис. 4.50, кинематический механизм робота включает 11 шарниров (обладает 11 степенями подвижности). Среди них: шарниры стопы (2 шт.), шарниры лодыжки (2 шт.), коленные шарниры (2 шт.), бедренные шарниры (2 шт.), поясничные шарниры (2 шт.), шарнир наклона корпуса (1 шт.).

Перечисленные шарниры в соответствии с расположением своей оси вращения обеспечивают один из трех типов движения: качание, вращение, отклонение. При качании центр тяжести перемещается поступательно в прямом направлении, при вращении он колеблется влево-вправо, а при отклонении возникает возможность для изменения направления поступательного движения центра тяжести.

Движение робота в прямолинейном направлении начинается при согласованной работе шести шарниров, каждый из которых обеспечивает перемещение типа «качание». Когда в результате качания нога полностью приподнимается над полом, в работу вступает шарнир типа «вращение», который поворачивает корпус вперед, чтобы центр тяжести робота тоже переместился вперед.

Сразу после этого с помощью шарнира наклона корпуса последний слегка наклоняется влево или вправо. В результате поворота и наклона корпуса и прикрепленного к корпусу груза центр тяжести перемещается таким образом, что вся масса робота перераспределяется на одну опорную ногу.

Затем при помощи сустава стопы опорной ноги проводится корректировка положения центра тяжести, в результате которой проекция центра тяжести приходится точно на стопу. При этом обеспечивается сохранение контакта стопы с опорной поверхностью всей плоскостью подошвы.

Изменение направления движения достигается за счет работы звеньев поясничной части робота (шарниры типа «отклонение»), при помощи которых нога потихоньку разворачивается в нужную сторону. Максимальный угол поворота ноги за одно движение составляет 15°.

Общая масса рассматриваемого двуногого робота — 130 кг, а его максимальная грузоподъемность — 30 кг. Очевидно, для того чтобы вся конструкция с грузом могла надежно удерживаться на одной ноге, приводы всех шарниров ноги должны обладать очень большой мощностью.

Поэтому при проектировании исполнительной системы шагающего аппарата не оставалось ничего другого, как остановить выбор на электрогидравлических приводах. Рабочая жидкость подается в цилиндры под давлением от внешнего стационарного источника. Таким образом, гидрокомпрессор и электромотор компрессора не увеличивают общую массу шагающего аппарата.

При рассмотренном выше способе передвижения двуногий робот на каждом шаге сохраняет статическую устойчивость. Как отмечалось ранее, такой тип походки называется статическим. Особенности статической походки шагающего аппарата с двумя конечностями иллюстрируются Q помощью рис. 4.51.

Как следует из рисунка, когда масса всего робота приходится на одну из ног, центр тяжести робота G1 лежит внутри четырехугольника A1B1C1D1, представляющего собой стопу опорной ноги. После того как другая нога, сделав шаг, опускается на землю в диагональном направлении от стопы первой ноги (в этот момент стопа второй ноги занимает положение, обозначенное четырехугольником A2B2C2D2), масса робота на какое-то время распределяется равномерно между двумя точками опоры.

При этом центр тяжести робота G’1 оказывается внутри многоугольника A1B1C1C2D2A2. На следующем этапе центр тяжести из точки G’1 перемещается в точку G2, причем в процессе движения из G’1 в G2 он постоянно находится внутри заштрихованного многоугольника.

Такое перемещение центра тяжести реализуется путем соответствующего наклона корпуса робота с грузом. После того как движение центра тяжести закончено и он оказался внутри четырехугольника A2B2C2D2, в работу вступают алгоритмы управления, реализующие отрыв стопы первой ноги (обозначенной четырехугольником A1B1C1D1) и обеспечивающие сохранение равновесия робота при опоре на вторую ногу.

Сделав шаг, первая нога опускается на землю в диагональном направлении от второй ноги (стопа первой ноги занимает положение, обозначенное четырехугольником А3В3С3D3). На этом завершается один цикл и начинается следующий. Таким образом, в процессе движения данный двуногий робот сохраняет статическую устойчивость в каждом цикле ходьбы.

Рассмотренный метод управления ходьбой двуногого робота сравнительно прост в реализации. Однако если ограничиться применением только алгоритмов расчета компенсирующих перемещений центра тяжести, то вряд ли удастся добиться требуемой степени плавности перемещения шагающего аппарата. Чтобы понять, как же все-таки это удается человеку, проанализируем еще раз результаты наблюдений за ходьбой человека.

Смотрите про коптеры:  КРОШ и Смешарики: Новый робот Пина! смотреть онлайн видео от 4screens - лучшие детские шоу в хорошем качестве.

Распределение сил реакции опоры для каждой ноги человека в процессе одного цикла ходьбы графически представлено на рис. 4.52. Как следует из рисунка, в момент, когда правая нога касается опорной поверхности, левая нога, для того чтобы оторваться от земли, развивает максимальное давление на опорную поверхность (первый пик).

После того как левая нога, пройдя некоторое расстояние по воздуху, опускается на землю и принимает на себя всю массу тела человека, реакция опоры вторично достигает максимального значения (второй пик). Что касается правой ноги, то графики реакции опоры на эту ногу имеют аналогичный вид, но смещены по фазе на один шаг.

В то время, когда реакция опоры на левую ногу увеличивается, реакция опоры на правую ногу начинает пропорционально уменьшаться и становится равной нулю, когда давление левой ноги на землю достигает максимума. Кроме того, нетрудно заметить, что в каждом цикле ходьбы существуют отрезки времени, в течение которых обе ноги одновременно касаются опорной поверхности.

Отметим также, что за все время, в течение которого одна из ног находится на земле, реакция опоры, действующая на эту ногу, не остается постоянной, а достигает максимальной и минимальной величины. Минимум реакции опоры на одну из ног достигается за счет направленного вверх импульса, который развивает другая нога при движении по воздуху в высшей точке своей траектории.

Еще одним ключом к пониманию устойчивости и плавности двуногой ходьбы являются данные анализа колебаний центра тяжести человеческого тела в процессе ходьбы. На рис. 4.53, а и б представлены данные наблюдений, выполненных Кадо и Мурата* методом стереофотосъемки.

Как следует из рис. 4.53, а, при ходьбе центр тяжести человека почти не смещается в поперечном направлении. Даже увеличение или уменьшение скорости ходьбы практически не отражается на частоте или амплитуде смещений центра тяжести влево или вправо. Из анализа данных, приведенных на рис. 4.

* ()

Чтобы обеспечить динамическую устойчивость двуногих шагающих аппаратов, Вукобратович предложил так называемый метод «точки с нулевым моментом сил» (ZMP-метод). Сущность управления движением шагающего робота с помощью ZMP-метода заключается в расчете и выполнении компенсирующих смещений корпуса робота таким образом, чтобы в каждый момент времени на поверхности подошвы опорной ноги существовала некоторая точка, для которой равнодействующая сил тяжести и моментов инерции равна 0.

Однако выполнение таких расчетов в реальном масштабе времени в течение всего цикла ходьбы требует очень мощных вычислительных средств и оказывается трудно реализуемым на практике. В Университете Васэда под руководством Карисэ был разработан упрощенный метод управления ходьбой с динамической устойчивостью, основанный на принципе ZMP, однако расчет компенсирующих перемещений корпуса проводится только для моментов времени, в которых робот опирается на одну ногу, а при смене ног весь механизм движется подобно висячему маятнику (такой способ перемещения Карисэ назвал нормальной динамической ходьбой).

В общем случае, для того чтобы управлять динамической устойчивой ходьбой двуногого робота, необходимо составить систему уравнений движения шагающего аппарата, моделью которого, как правило, является некоторый многозвенный кинематический механизм. Обычно такой механизм имеет большое число звеньев и обладает многими степенями подвижности.

В результате математическая модель аппарата (система уравнений) оказывается слишком сложной, а ее аналитическое исследование становится практически невозможным. Поэтому первое, что необходимо сделать для реализации управления динамической устойчивостью, это найти какой-либо способ упрощения полных аналитических моделей с учетом специфических особенностей двуногой ходьбы.

Одна из чрезвычайно простых для аналитического исследования моделей двуногой ходьбы была предложена д-ром Идо*. Соответствующая этой модели схема шагающего аппарата показана на рис. 4.54. В данном случае для облегчения анализа приняты следующие, не соответствующие реальности допущения:

* ()

● время, в течение которого обе ноги одновременно касаются земли, равно 0;

● длина опорной ноги остается неизменной с момента касания опоры до момента отрыва от нее;

● все движения аппарата совершаются только в сагиттальной плоскости (плоскости, делящей тело человека на правую и левую части), т. е. центр тяжести может перемещаться либо вверх-вниз, либо вперед-назад.

Кроме того, предполагается, что стопа касается опорной поверхности только в одной точке, а величина силы трения, возникающей между стопой и полом, достаточна для того, чтобы исключить возможность проскальзывания. Считается, что аппарат приводится в движение только за счет крутящих моментов М и N: первый из них развивается приводом бедренного сустава, а второй возникает под действием силы реакции опоры на стопу.

Смотрите про коптеры:  Как я потерял дрон DJI | Пикабу

Аналитическое описание и анализ движения многозвенного шагающего аппарата с двумя конечностями (рис. 4.55) были выполнены Миядзаки и Аримото. На этот раз основное упрощение было достигнуто за счет отказа от рассмотрения движения робота в пространстве и ограничения задачи плоским двумерным случаем.

При аналитическом анализе двуногих шагающих аппаратов для составления уравнений движения этих аппаратов обычно используется принцип Лагранжа. Некоторые из исследователей полагают, что для того, чтобы двуногий механизм мог перемещаться столь же плавно, как и человек, конструкция этого механизма должна в точности воспроизводить строение человеческой ноги.

Однако известно, что при достаточном навыке можно очень плавно перемещаться с помощью простейших ходулей. Сосредоточив свое внимание на анализе принципов ходьбы на ходулях, Ситаяма и Мицура* разработали двуногий аппарат, который способен переступать на месте с ноги на ногу не падая (двуногий переступающий аппарат).

Алгоритмы управления, обеспечивающие устойчивость аппарата в вертикальном положении, основаны на аналитическом исследовании уравнений движения этого переступающего робота. Конструкция реализованного под руководством Ситаяма двуногого шагающего на ходулях робота показана на рис. 4.56.

Как следует из рисунка, робот управляется от трех электроприводов (фактически используются четыре электромотора, так как привод корпуса состоит из двух электромоторов). Два электродвигателя, обозначенные цифрами I и II, управляют перемещениями вращательного типа (уменьшением или увеличением расстояния между точками опоры двух ног), а два электродвигателя, помеченные цифрой III, управляют движениями типа качания.

Направления осей вращения и качания показаны на рис. 4.56. В исходном положении робот опирается на обе ноги. Если в этом положении вращающий момент, развиваемый двигателем I (или двигателем II), превысит некоторое установленное значение, то правая (или левая) нога оторвется от пола и будет находиться в воздухе в течение некоторого, заранее установленного интервала времени.

В результате попеременной работы двигателей I и II робот топчется на месте, поднимая то правую, то левую ногу. Если величина вращающих моментов и период чередования двигателей поддерживаются неизменными, то похожий на обыкновенные ходули шагающий робот будет сохранять устойчивое вертикальное положение в течение всего процесса переступания с ноги на ногу.

* ()

При составлении системы уравнений, аналитически описывающей характер движения робота на ходулях, использовалась упрощенная модель, показанная на рис. 4.57. Когда робот опирается на одну ногу, уравнения движения, полученные для этой модели, имеют следующий вид:

где

При разработке реальных алгоритмов управления переступающим роботом Ситаяма провел линеаризацию всех уравнений данной системы. Определив цикл ходьбы как чередование последовательности состояний: опора на одну ногу → смена опорных ног → опора на другую ногу, он представил «смену опорных ног» в виде «черного ящика», а конфигурации, которые робот имеет в самом начале и в самом конце этого состояния, в виде неизвестных функций.

Рассматривая эти функции в качестве условий сопряжения двух систем уравнений, каждая из которых описывает состояние робота при опоре на одну из ног, он получил полное математическое описание каждого из состояний цикла ходьбы в виде соответствующей системы уравнений.

Выше были рассмотрены лишь некоторые наиболее впечатляющие результаты теоретических и экспериментальных работ по созданию двуногих шагающих роботов. Но даже этого вполне достаточно, чтобы прийти к следующему выводу: двуногие шагающие роботы с динамическим управлением устойчивостью перестали быть объектом внимания писателей-фантастов.

Сколько стоит установить видеонаблюдение в офисе в Москве.

Студент сконструировал механическую ногу для робота, которая прыгает в два раза выше своей высоты | нанотехнологии nanonewsnet

За редким исключением (см. выше), современные двуногие или четвероногие роботы не способны на энергичные динамичные движения. Роботы-гуманоиды почти никогда не умеют бегать и прыгать, а четвероногие роботы только недавно освоили базовые навыки динамических передвижений. А ведь это очень важный навык для любого робота, который перемещается по пересечённой местности и преодолевает препятствия. Получается, что для них остаются недоступными больше половины земной суши. Они просто не могут туда попасть. Это серьёзно ограничивает сферу применения роботов, ведь они должны быть вездесущими.

Роботы из бумаги » Роботы своими рукамиНекоторые из существующих роботов, способных на энергичные движения ногами: 1) Boston Dynamics SpotMini; 2) UPenn/Ghost Robotics Minitaur; 3) ATRIAS; 4) RHex и Canid; 5) StarlETH; 6) Boston Dynamics Spot; 7) MIT Cheetah; 8) Boston Dynamics Atlas. Иллюстрация: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Смотрите про коптеры:  Лучший симулятор квадрокоптера | Учимся гонять на коптере | RCDetails Blog

Как видно на иллюстрации, инженеры до сих пор не могут определиться, какая конструкция ног будет наиболее эффективной для робота. Предлагаются разные варианты. На фотографиях показаны роботы с разным строением ноги: прямая нога (prismatic), сочленённая (series articulated), избыточно сочленённая (redundantly articulated) и плоская параллельная (parallel planar).

Роботы из бумаги » Роботы своими рукамиТипичные строения ноги у существующих роботов. Слева направо сверху вниз: Raibert, BDI Spot, MIT Cheetah, Boston Dynamics Big Dog, Penn/Ghost Robotics Minitaur, ATRIAS, GOAT. Иллюстрация: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Студент Университета Карнеги-Меллона Саймон Калуче (Simon Kalouche) предложил новый тип конструкции ноги для прыгающего робота: пространственно-параллельную конструкцию (parallel spatial на схеме). Студент также изготовил действующий прототип такой ноги, которую описал в свой дипломной работе (pdf).

Роботы из бумаги » Роботы своими рукамиCAD-рендеринг робота с четырьмя ногами GOAT. Изображение: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Конструкция ноги получила название GOAT, что означает «Gearless Omni-directional Acceleration-vectoring Topology». В дипломной работе Саймон Калуче объясняет, что в живой природе есть примеры млекопитающих, которые отличаются невероятной прыгучестью. В частности, это снежная коза Oreamnos americanus, способная передвигаться по пересечённой местности, перепрыгивать пропасти, скакать со скалы на скалу. Это животное дало автору вдохновение для создания роботизированной ноги, хотя конструкция ноги GOAT имеет мало общего с ногой реального животного. Но в идеале, роботы в будущем должны обладать такой же фантастической подвижностью, как снежная коза.

Роботы из бумаги » Роботы своими рукамиСнежная коза прыгает по скалам. Фото: W.Wayne Lockwood, M.D./Corbis, Britannica

Пространственно-параллельная конструкция ноги GOAT обеспечивает «проворную ходьбу, бег и, самое главное, взрывные прыжки в любом направлении и активное мягкое приземление», пишет автор. Он согласен, что по скорости бега робот с такими ногами не сможет конкурировать с известным роботом-гепардом Cheetah от инженеров Boston Dynamics и Массачусетского технологического института, но зато GOAT имеет преимущество перед Cheetah по по манёвренности. Он гораздо лучше подходит для передвижения прыжками, например, по завалам в зоне стихийного бедствия или техногенной катастрофы, на поле боя, в сложных природных условиях. Такой робот может перепрыгивать довольно высокие преграды, заборы, стены, взбираться по подъёмам даже с предельным для человека углом подъёма более 45°. Грубо говоря, он уступает Cheetah по скорости движения в 1D, но выигрывает во всех измерениях 3D.

Робот GOAT способен преодолевать другие препятствия, которые встречаются на пути: расщелины, пещеры, ямы, рвы, окопы. На видео показано, что конструкция робота предусматривает мягкую посадку и сохранение равновесия даже после самого высокого прыжка.

Испытания ноги GOAT с разными настройками

В конструкции GOAT используется привод T-Motor U10 с одноступенчатой планетарной передачей Matex 75–7MLD 7:1.

В дипломной работе автор сравнивает разные типы моторов. В таблице приведены результаты тестирования четырёх типов приводов: безредукторный электропривод T-Motor (DD, direct drive), электропривод T-Motor с одной планетарной передачей (QDD, quasi-direct-drive), электропривод T-Motor с двумя планетарными передачами (GM, gear motor), а также электропривод Hebi X-5 SEA.

Все четыре типа приводов показаны на фотографиях, слева направо: DD, QDD, GM и SEA.

Автор говорит, что у каждого электропривода есть свои недостатки, поэтому пришлось идти на компромисс. Он объясняет, почему выбрал именно электропривод с одной планетарной передачей — он наиболее оптимально вписывается в конструкцию GOAT.

Конструкция сустава «ноги» GOAT состоит из трёх деталей с пересекающимися осями. Моделирование в Solidworks FEA показало, что на такой сустав оказывается давление до 123 psi в его нижней части. Поэтому данный компонент следует изготовлять из высокоуглеродистой стали с пределом текучести 125 psi, в то время как большинство остальных деталей можно изготовлять из алюминия 7075 с пределом текучести 73 psi.

Во время тестирования ноги GOAT была достигнута высота прыжка 82 см, что более чем в два раза превышает высоту самой конструкции.

Пока что Саймон Калуче изготовил только прототип одной ноги GOAT для диссертации. В будущем он планирует продолжить работу над роботом. Возможно, совместно с инженерами из других научно-исследовательких центров или частных компаний получится изготовить полноценного четырёхногого робота, который действительно будет проворно передвигаться по пересечённой местности. Или кто-нибудь изготовит такого робота раньше, чем автор, ведь его диссертация со всеми выкладками лежит в открытом доступе, разве что CAD-файлов не хватает. Но можно попробовать повторить эту работу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector