Перспективы создания мобильных шагающих роботов с кинематически связанными движителями

Future views of creating mobile legged robots with kinematically related movers

Kyaw Phyo Wai

Science researcher, Candidate of Engineering Science, South West State University, Russia, Kursk

Alexander Rukavitsyn

Associate Professor, Candidate of Engineering Science, South West State University, Russia, Kursk

Аннотация. В данной статье представлена общая классификация мобильных шагающих робототехнических систем, рассмотрены их перспективы развития, а также поставлены задачи проектирования мобильных шагающих роботов с кинематически связанными движителями.

Abstract. In this paper represent the classification of mobile legged robotics systems in commonly, have discussed about their future development and designed settings plan of mobile legged robotics system with kinematically related movers.

Ключевые слова: мобильные шагающие роботы; кинематически связанный движитель; число конечности; управляемое движение

Keywords: mobile legged robots; kinematically related movers; controlled motion

В настоящее время создание мобильных шагающих роботов (МШР) является актуальной задачей, которой занимаются многие научные организации во всех промышленно развитых странах [1-4]. Причиной тому является ряд преимуществ мобильных шагающих роботов по сравнению с традиционными колёсными и гусеничными робототехническими системами, особенно при движении по поверх­ности со сложным рельефом, таким как пресечённая местность, завалы, перемещение внутри зданий и сооружений, где необходимо двигаться по лестницам, узким коридорам и шахтам.

Существует множество вариантов конструкций мобильных шагающих робототехнических систем: с двумя, четырьмя, шестью, восьмью и более ногами - конечностями. Такие системы можно классифицировать по количеству ног на две, четыре, шесть, восемь и более опорных конечностей. Реже встречаются проекты шагающих систем с большим количеством ног, примерами для которых служат роботы-пауки (8 ног), «ракообразные» роботы (10 ног) и «многоножки» (более 10 ног). В данной работе рассмотрены некоторые особенности наиболее распространенных МШР, обладающих не более восьмью конечностями.

Двуногие МШР. Данные роботы имеют два основных недостатка. Во-первых, необходимо обеспечить устойчивость робота, когда проис­ходит его шаг, из-за смещения центра масс. При этом стопа робота должна обладать достаточным запасом прочности, чтобы выдержать всю его массу и полезную нагрузку. Во-вторых - сложные алгоритмы движения, воспроизводящие человеческую походку, а именно движение нижних конечностей. Взаимосвязь между движениями отдельных частей двуногого МШР обеспечивает его устойчивое движение не только по прямой линии, но и в пространстве [4].

Рисунок 1. Двухногий шагающий робот «Cassie»
(взято с сайта http://www.agilityrobotics.com)

Четырехногие МШР достигают устойчивого равновесия за счет того, что при движении центр такого робота находится в пределах определенной площадки, образованной опорными конечностями. Исходя из этого, наиболее целесообразно при разработке шагающего робота использовать принцип перемещения на четырех конечностях. Движение такого МШР основано на том, что при перемещении в любой момент времени, в фазе переноса (шага) находится только одна нога, в то время как остальные опорами обеспечивается статическая устойчивость.

                     а)                                                    б)                       

Рисунок 2. Четырехногие роботы а) «Spot», б) «Spot Mini»
(взято с сайта https://www.bostondynamics.com)

Шестиногие МШР наиболее просты при решении задач устой­чивости и стабилизации. Очевидно, что если количество ног шагающих роботов достаточно велико, они могут использовать большое количество точек опоры во время передвижения, что значительно увеличивает их статическую устойчивость. Также, если количество точек опоры увеличивается, мобильная система может нести большую полезную нагрузку, используя различные походки. Однако при этом возрастает количество степеней свободы, что усложняет систему управления движением такого МШР.

Рисунок 3. Шестиногий робот «Hexa»
(Взято с сайта https://www.kickstarter.com)

Одной из проблем, которой уделяется существенное внимание при проектировании мобильных шагающих устройств, является умень­шение необходимой мощности источников питания для сокращение затрат энергии. Другими словами, необходимо повысить к.п.д. передаточных механизмов - уменьшить потребляемую энергию и повысить полезную развиваемую мощность. Если учесть, что в общем случае каждая из конечностей имеет две-три степени подвижности, а управление каждой из степеней сопряжено с определенными затратами энергии, то очевидно, что сравнение шагающих и колесных мобильных устройств по к.п.д. будет не в пользу первых. В связи с этим, главная цель, к достижению которой должны стремиться исследователи МШР сегодня, заключается в создании экспериментальных мобильных шагающих устройств, способных на практике продемонстрировать сочетание высоких функциональных возможностей с достаточно большой развиваемой мощностью при малых затратах энергии. Данная цель становится достижимой при создании МШР с кинематическими связанными движителями.

Несмотря на то, что создание таких шагающих систем затруднено из-за большого числа конечностей (движителей), одновременно совер­шающих перемещения, подобные системы позволяют не только обес­печить проходимость и высокую маневренность системы. В тоже время существующие недостатки подобных систем (низкое быстродействие, высокое энергопотребление, недостаточная устойчивость) ограничивают распространение шагающих роботов. Для преодоления указанных недостатков целесообразно использовать конструкции с кинемати­ческими связанными движителями, позволяющие использовать малое количество электромеханических приводов, обеспечивая дополнительное энергосбережение.