Классификация шагающих роботов

Введение

Существует огромное число разнообразных роботов, соответственно существует и огромное число вариантов классификации роботов: по размеру и форме, по функциональному назначению, по типу программной логики и т.д. Классификация по возможности передвижения является одной из наиболее важных классификаций, согласно которой все роботы делятся на не передвигающихся и передвигающихся (в дальнейшем мобильных). В данной работе рассматривается крупный класс мобильных роботов – шагающие роботы, проводится анализ и структурирование существующих технических решений, а также приводится классификация шагающих роботов. Целью работы является определение наиболее оптимального вида шагающих роботов по различным параметрам, с целью дальнейшего создания технических заданий.

Обзор существующих технических решений

Одной из наиболее развитых вариаций антропоморфного робота можно назвать Atlas(Рис.2).Atlas – проект американской компании Boston Dynamics, являющейся одной из наиболее известных в робототехнической среде[1].

Рисунок 1. Atlas

Atlas обладает 28 сочленениями. Робот способен удерживать равновесия после прыжков и после того как его толкнули, оснащен системой ЛИДАР, позволяющей ему ориентироваться на местности [2].

Помимо Atlas Boston Dynamics создали ряд четвероногих роботов – Spot, Spotmini, WildCat и BigDog(Рис.3) [1].

Рисунок 2. Spot,Spotmini, WildCat, BigDog (слева на право)

Каждый робот помимо базовых характеристик имеет свои собственные конструкционные особенности. Spot и Spotmini являются тихими роботами,которые могут быть использованы не только на заводах но и в бытовых условиях, для этого они могут быть оборудованы манипуляторами с 5 степенями подвижности. WildCat является самым быстрым из всех известных роботов – он способен развивать скорость до 32 километров в час, сохраняя при этом маневренность и статическую устойчивость. BigDog до недавнего времени разрабатывался по контракту Армии США в качестве грузового робота,способного перемещаться там, где не сможет проехать транспорт. Данный робот способен поднимать до 150 кг веса при это сохраняя скорость в 10 километров в час даже на труднопроходимой местности.

Робот KMR-M6 (рисунок 4) - продукт японской компании Kondo [3].

Рисунок 3. KMR-M6

Каждый из его движителей обладает двумя серводвигателями KondoKRS-2552HV ICS RedVersion – для горизонтального и вертикального перемещения. Робот KMR-M6 управляется платой RCB-4HV, отвечающей за перемещение движителей робота, обладает батареей в 800 mAh. Размеры робота: 20 см в высоту и 30 см в ширину. Также предоставлена возможность добавить к роботу необходимые комплектующие, Например, дополнительные движители, сенсоры, камеры и т.д. Стоимость KMR-M6 $880.

CMU Field Robotics Center (FRC) разработала DanteII(Рисунок 5) c целью исследования вулкана Сперр. Робот собирал данные о температуре и газах в жерле [4].

Рисунок 4. Dante II

Классификация шагающих роботов

Шагающих роботов можно классифицировать по количеству их движителей:

· роботы с 2 движителями (антропоморфные);

· роботы с 4 движителями (анимаморфные);

· роботы с 6 движителями (инсектоморфные);

· роботы с 8 движителями (арахноморфные);

· роботы с нечетным количеством движителей;

· роботы с количеством движителями более 8.

Антропоморфные роботы представляют собой механизмы, конструкция которых напоминает строение тела человека, либо двуногих животных. Конструкторы сталкиваются с двумя крупными проблемами в ходе создания подобных машин: контроль стабильности и контроль движения [5]. Устойчивость антропоморфного робота может быть повышена увеличением площади соприкосновения с поверхностью, однако подобные действия резко снижают мобильность. Для улучшения контроля движения применяются различные сенсоры и гироскопы, приближенные к чувству равновесия человека [6].

Конструкция шагающего робота с четырьмя движителями обладает оптимальным соотношением большой устойчивости, быстроходности, массы, энергоэффективности и простоты управления по сравнению с моделями шагающих роботов с большим количеством движителей и более простыми алгоритмами по сравнению с роботами с 2 движителями. Однако явное управление изменением направления перемещения центра тяжести после каждого шага робота приводит к тому, что на малых скоростях четвероногий робот в отличие от животных передвигается неестественной рыскающей из стороны в сторону походкой [7].

Шестиногие шагающие роботы являются самой многочисленной и популярной из всех когда-либо и где-либо разработанных категорий механизмов, способных перемещаться с помощью искусственных ног, что обусловлено тем, что проблемы обеспечения статической устойчивости движущихся шестиногих аппаратов решаются относительно просто по сравнению с другими конструкциями. Одной из проблем, которой уделяется внимание при проектирование подобных аппаратов является низкое КПД, в следствие недостаточной энергоэффективности по сравнению с колесными аппаратами.

При создании восьминогих роботов необходимо решать проблемы схожие с проблемами при проектировании шестиногих роботов. КПД арахноморфных машин будет ниже из-за большего энергопотребления, однако их устойчивость и маневренность будет выше, чем у роботов с меньшим числом движителей.

Роботы с нечетным количеством движителей практически не распространены из-за сложности проектирования. Для создания таких роботов необходимо решить проблему обеспечения статической устойчивости при движении.

Заключение

В работе получены следующие результаты:

1. Проведен анализ различных существующих технических решений

2. Составлена классификация мобильных роботов по числу движителей, рассмотрены достоинства и недостатки каждого типа роботов.

3. Выбран тип роботов с 4 движителями, как наиболее оптимальный в плане характеристик и сложности выполнения технического задания по созданию подобного аппарата.