75021-1 (Шагающие роботы)

Шагающие роботы

Реферат по дисциплине «Мобильные роботы»

Выполнил студент Бобров С.В.

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

Кафедра Информационные Системы

Москва 2005

Введение

Создание промышленных роботов-манипуляторов, способных заменить человека на многих участках современного производства, а также автоматических систем, которые могут быть использованы в условиях, опасных для человека, является актуальной научной и технической проблемой. Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности.

Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.

Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом – центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.

Композиционная концепция и биологический подход в построении роботов

Анализируя существующие виды движителей, можно заметить, что нет ничего более совершенного, чем природные системы. Их адаптивная способность потрясает. Если касаться только шагающих систем, то видно, что их мобильность значительно выше, чем у созданных человеком транспортных средств.

Человек, совершенствуя природу на базе создания комбинированных шагающих механизмов с другими типами движителей, способен создать более производительные и высоко адаптивные транспортно-технологические машины.

Природа не создала колеса просто потому, что система рычагов более приспособлена для передвижения по естественному грунту. Этому способствуют свойства опорно-двигательного аппарата шагающего движителя: дискретность колеи и наличие нерабочего пространства ног. Под дискретностью колеи понимают прерывистость контакта движителя, в данном случае с поверхностью передвижения. Под рабочим пространством ног понимается пространство, окружающее корпус, точки которого достижимы для опорного элемента шагающего движителя. Эти свойства шагающего движителя позволяют предполагать высокую опорную и профильную проходимость для искусственных шагающих средств передвижения. Кроме сильно пересеченной местности, для обычного транспорта непроходимой является и среда, приспособленная для обитания человека: здания с узкими проходами, резкими поворотами, лестничными маршами.

Слепое копирование природных объектов без глубокого изучения их поведения, как правило, не позволяло создать работоспособные конструкции, которые можно было бы использовать в практике: например, лесная машина фирма “Табержек”, робот лаборатории транспортных систем АН СССР. Эти машины не оправдали надежды конструкторов и не показали динамических качеств, характерных для насекомых.

В этом ключе интересно рассмотреть композиционную концепцию построения шагающих роботов, т.к. эта концепция сходна с физиологическими моделями управления движением в живых организмах. Сходство это основано на исследованиях российских ученых, проводимых в Институте проблем передачи информации. Поэтому, можно полагать, что композиционная концепция является биологическим подходом в робототехнике.

В соответствии с этой концепцией низший уровень управления локомоционным процессом может быть представлен как результат коллективной работы независимых замкнутых систем автоматического регулирования (регуляторов). Какие-либо связи между отдельными регуляторами (горизонтальные связи) отсутствуют. Иными словами, шагающий робот как единый автомат может быть представлен композицией некоторого количества элементарных независимо функционирующих автоматов, а локомоционный процесс результатом совместного действия этих автоматов. Каждый автомат решает свою собственную задачу и таким путем вносит свой вклад в формирование локомоционного процесса.

Каждый элементарный автомат представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования и управляет только одним суставом. В то же время отдельный сустав в различных фазах цикла движения ноги может управляться несколькими различными регуляторами. Одноименные суставы всех ног управляют одним из параметров походки, например, таким как длина шага, высота тела робота относительно опорной поверхности или же скорость передвижения робота. Управление всеми суставами робота осуществляется параллельно, что обеспечивает высокий уровень распределенности системы управления.

Влияние на отдельный автомат действий остальных автоматов представляется как возмущающее воздействие внешней среды. Цель автомата как регулятора состоит в компенсации этих возмущений. Выходной сигнал сенсорной системы, который используется в цепи обратной связи регулятора, содержит в себе также и информацию о действиях других автоматов, так что отдельный автомат воспринимает действия других автоматов посредством сенсорной системы, а не путем каких-либо каналов связи между регуляторами. В этом случае внешняя среда отдельного автомата состоит из остальных автоматов и внешней среды робота в целом.

Желаемые параметры походки робота задаются более высоким уровнем системы управления и остаются постоянными в процессе ритмичной ходьбы. Такой подход к проблеме шагающих роботов существенно упрощает управление локомоционным процессом и делает его более наглядным.

Реализация предлагаемого подхода для построения шагающих роботов может быть достигнута путем решения проблемы сенсорных систем для автоматов. Эта проблема была решена путем применения наборов датчиков, объединенных в сенсорную систему, способную измерять каждый параметр походки.

Исследование кинематики биологических механизмов

Человечество всегда в проектировании стремилось к созданию себе-подобного механизма – прямоходящего, но бипедализм людей значительно сложнее в локомоционном плане, чем шести- или четвероногость и требует развития более сильного вестибулярного аппарата и очень серьезных систему управления на его основе, поэтому наибольшее распространение получили «многоногие» роботы. Поскольку биологический подход к разработкам наиболее сложный (требуется всестороннее изучения биологических механизмов), но в то же время и наиболее простой (не нужно изобретать велосипед – все уже давно придумано природой) было проведено изучение передвижения насекомых.

В качестве объекта исследований выбран рыжий таракан (пруссак). Тараканы (Blattodea) — один из наиболее древних отрядов крылатых насекомых. Они появились в первой половине каменноугольного периода (около 300 млн лет назад), когда на Земле царил тёплый и влажный климат. В то время тараканы были самой многочисленной и разнообразной группой насекомых. Но “процветают” они и сейчас. Так что эти насекомые вдвое старше знаменитых динозавров и в отличие от них совсем не собираются вымирать. Его ноги – тот универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины.

Используя кинокамеру, можно проследить бег таракана, предварительно его засняв. Для этого таракана помещают в стеклянную пробирку и, закрепив ее, снимают бегающего таракана кинокамерой. После этого с кинокамеры все переписывается на компьютер, где с помощью компьютерной программы PINNACLE замедляется бег таракана и создается фильм “Тараканий бег”. Теперь можно проследить всю кинематику его бега. Работая в программе PINNACLE, создаются отдельные кадры бега таракана, с помощью которых прослеживается кинематика движения его ног при беге.

Исходя из полученных снимков, рассмотрим способ формирования походки рыжего таракана. Основным типом его походки является походка 3—3 (трешками).

В каждый момент своего движения таракан стоит на трех ногах: передней и задней левой и средней правой (или наоборот). Каждая пара ног выполняет различную функциональную нагрузку, и это отражается на их длине. Передняя пара ног наиболее короткая, цепляясь попеременно за неровности грунта, тянет тело вперед. Средняя и самая длинная — задняя пара конечностей при разгибании в коленном суставе толкают тело таракана вперед. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела.

Если проследить движение задних ног таракана, то можно выявить интересную закономерность в движении бедра правой и левой ноги. На экране монитора четко видно, что при движении бедро правой и левой ноги таракана все время образует одну линию. Эту закономерность можно также использовать при проектировании движения шагающего робота.

Однако таракан не всегда использует походку трешками, в какие-то моменты он переходит на галоп, правда, на очень короткий момент.

Чаще всего он использует сильное отталкивание двумя задними ногами в первый момент движения для развития скорости, а затем переходит на обычную походку трешками. Использование этого шага для передвижения робота не вполне удобно, так как очень усложнится его управление, а если масса робота велика, то усилия для движения задних ног потребуются очень большие, что не вполне можно выполнить.

Для шагающего робота в процессе выноса ног должен осуществляться контроль высоты положения стоп над поверхностью. Если высота любой из стоп становится меньше допустимой, то производится подъем ноги до достижения нужной высоты, а затем продолжается вынос ног вперед. Конец движения определяется одним из следующих условий:

Во время вспомогательной фазы должно происходить восстановление горизонтального положения и заданной высоты платформы, а также смещение центра тяжести в зону равновесия;

Зона достаточной устойчивости может быть определена через разность усилий в максимально и минимально нагруженных опорах, которая не должна превышать допустимой величины. Введение центра тяжести шагающего устройства в зону допустимой устойчивости достигается путем задания горизонтального движения платформы, что задается блоком поддержания равновесия.

Исследование бега таракана позволило сделать следующие выводы. Непрерывная походка типа 3—3 образуется в результате слияния фаз прерывистой походки. Непрерывная походка экономичнее прерывистой и обеспечивает большую скорость перемещения при тех же динамических нагрузках, однако, она может использоваться только для перемещения по сравнительно ровной поверхности.

Для общей ориентации шагающей машины в пространстве необходимо применять комплекс управляющих алгоритмов, представляющих многоуровневую иерархическую систему.

Следует отметить, что кинематика шагающего робота позволяет существенно уменьшить возможность потери проходимости, будет более маневренной, сможет проходить по сильно пересеченной местности. Опорные элементы шагающего робота имеют значительно большую зону возможных контактов с поверхностью передвижения по сравнению с колесом или гусеницей.

Пример шагающего аппарата

В качестве достойного примера шагающей машины можно рассмотреть разработку Донецкого Национального Технического Университета – шагающий аппарат «Катарина».

Шагающий аппарат содержит корпус, снабженный шестью ногами. В центре корпуса расположен гироскопический датчик, сообщающий системе управления информацию об ориентации корпуса по отношению к вектору силы тяжести; в передней части укреплен оптический дальномер, доставляющий информацию о поверхности, по которой перемещается шагающий робот. Шестиугольный корпус служит как носитель (основа) для шести конечностей, а также для рабочей платформы. Внутри корпуса размещается микропроцессорная система управления и силовая часть.

Каждая конечность имеет три степени свободы, и приводится в действие с помощью двигателя с механизмом (передача, коробка передач, редуктор). В нижней части конечности находятся три датчика усилия для измерения реакции силы ноги.

Основные характеристики шагающего аппарата “Катарина”:

высота корпуса – 10 см; длина стороны – 17 см;

общая масса – 21 кг; размер конечности – 40,5 см;

масса конечности – 2.8 кг; масса корпуса с микропроцессором – 3,8 кг;

скорость – около 0,4 км/ч; полезная нагрузка – 5 кг;

длина бедра – 13,4 см; длина голени – 20,2 см;

поверхность касания конечности – 28,3 см2.

С истема управления шагающим аппаратом формирует и исполняет управляющие сигналы, обеспечивающие движение аппарата с автоматической адаптацией: к малым неровностям поверхности по командам оператора (или верхнего уровня), задающего основные характеристики ходьбы и движение корпуса аппарата. На входы системы поступают сигналы от следующих датчиков, установленных на макете: шести датчиков контакта стопы с поверхностью; датчиков усилий, развиваемых ногами; гировертикали; оптического дальномера. Ее выходы (выходы блока преобразователей координат) являются входами блока усилителей следящих систем (БУСС), состоящего из 18 отдельных усилителей, на входы которых поступают сигналы с 18 позиционных датчиков углов поворота звеньев ног.