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. Среди всех типов классификации одним из наиболее важных является классификация по возможности передвижения, согласно которой всех роботов можно разделить на не передвигающихся и передвигающихся. В статье моделируется алгоритм передвижения шагающего робота с 4 ногами.

При движении в сложных условиях машины с шагающими движителями могут быть более эффективными в сравнении с традиционными транспортными средствами. Система рычагов более приспособлена для передвижения по естественному грунту. Этому способствуют свойства опорно-двигательного аппарата шагающего движителя: дискретность колеи и наличие нерабочего пространства ног. Шагающие механизмы обладают более высокой проходимостью и способны преодолевать препятствия, сравнимые с размерами самого робота что объясняет актуальность их разработки. [1]

Конструкция шагающего робота с четырьмя ногами обладает оптимальным соотношением большой устойчивости, быстроходности, массы, энергоэффективности и простоты управления по сравнению с моделями шагающих роботов с большим количеством ног и более простыми алгоритмами по сравнению с двуногими роботами.

Для обеспечения статической устойчивости движущегося робота в процессе управления требуется решать два вопроса: в какую сторону должен перемещаться центр тяжести шагающего аппарата и по какому закону должно происходить изменение скоростей свободных ног и опорных конечностей. 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. В этом заключается один из недостатков конструкции мобильных роботов с четырьмя ногами.

Характерные особенности движения робота иллюстрируется на Рисунке 1

Когда робот находится в покое, стоя на четырех ногах симметрично относительно вертикальной оси, его центр тяжести G, как правило, совпадает с геометрическим центром четырехугольника, вершинами которого являются точки опоры ног. Если одна из ног приподнимается над опорной поверхностью и вытягивается в направлении, то устойчивость корпуса должна обеспечиться за счет остальных трех ног. Поскольку при перемещении приподнятой ноги в точку А центр тяжести всей системы также смещается из исходного положения G в направлении перемещения на соответствующую величину, робот потеряет равновесие и неизбежно упадет, если не будут приняты какие-либо меры по обеспечению его устойчивости. Для восстановления устойчивости, необходимо, чтобы центр тяжести робота с одной приподнятой ногой из точки G переместился в точку G11 , находящуюся внутри треугольника BCD. Аналогичная ситуация возникает, когда приподнимается и переносится вперед нога D. В этом случае корпус сохраняет равновесие, опираясь на три ноги, которые касаются опорной поверхности в точках А1 , В и С, при этом центр тяжести робота перемещается из точки G11 в точку G12 . То же самое происходит при выполнении шага ногой В. На этот раз для сохранения устойчивости после завершения шага центр тяжести робота должен находиться внутри треугольника A1CD1. Наконец, если в движение приходит нога G, то центр тяжести окажется внутри треугольника A1B1D1 . Следовательно, при движении робота его центр тяжести должен менять свое положение после каждого шага, выполняемого любой из ног. Таким образом, обеспечение высокой скорости и плавности движения для данной конструкции оказывается довольно сложной задачей. [6]

Для исследования робота была построена 3D модель в упрощенном виде для проведения расчетов кинематики и динамики (Рисунок 2). С помощью модели можно получать наглядные результаты при решении прямой и обратной позиционной задачи. В ходе дополнительной работы над проектом была построена подробная 3D модель для исследования получения конструкторской документации и для упрощения сборки (Рисунок 3)

В процессе ходьбы ноги шагающего аппарата попеременно занимают то опорное, то свободное положения, причем в течение одного цикла каждая нога занимает то и другое положение один раз [5]. Последовательность, в которой при ходьбе происходит чередование опорного и свободного положений всех ног робота, определяет конкретный способ его передвижения или его походку. Чередование положений ног при любой походке происходит периодически. Последовательность чередований ног за один период называется циклом ходьбы, а расстояние, которое проходит аппарат за один цикл - шагом.

Необходимое перемещение как шага, так и поворота можно разбить на один или несколько шагов различной или одинаковой длины.

После этого робот приходит в начальное положение и может выполнять следующий шаг.

Необходимые управляющие сигналы для перемещения на заданное расстояние высчитываются с помощью обратной задачи положения.

Для описания перемещения одной ноги необходимо с помощью прямой задачи положения вычислить текущее положение, найти координаты необходимого положения и с помощью обратной задачи положения (1) найти необходимые обобщённые координаты [3].

Для наглядности работы алгоритма удобно создать график закона изменения обобщенных координат. На ней наглядно показаны все управляющие сигналы. На Рисунке 7 изображен закон движения первой ноги.

 

Цифрой 1 обозначен перенос центра масс, цифрой 2 выполнение действий другими ногами, цифрой 3 поднятие ноги, цифрой 4 перенос ноги вперед, цифрой 5 опускание ноги впереди.

Проведено моделирование перемещения робота вдоль траектории в форма квадрата со стороной 250 мм. Была создана траектория,  разбита на элементарные циклы ходьбы (шаг вперед и поворот). Таким образом получилось, что задание разбивается на 4 одинаковых элемента, каждый из которых включает в себя 5 шагов вперед на 50 мм и 9 поворотов на 10о . На Рисунке 8 и 9 указано теоретическое перемещение центра масс.

 

Был проведен эксперимент по перемещению робота вдоль траектории в форма квадрата со стороной 250мм.

На Рисунке 10 указано практическое и теоретическое перемещение центра масс.

Большое значение погрешности объясняется высоким проскальзыванием ног робота относительно пола, неточностью сборки элементов робота, неточностью позиционирования серводвигателей.

Вывод: эксперимент подтвердил адекватность разработанной модели. На данном этапе ведутся работы по улучшению качества перемещения такие как изменения конструкции и материалов ног, исследование и разработка различных уникальных алгоритмов ходьбы.

 

Список литературы

1.     Базовые механизмы управления шагающим роботом. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.techstages.ru/seton-296.html (дата обращения 28.10.2015)

2.     Батанов А.Ф., Грицынин С.Н., Муркин С.В. Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций. [Электронный ресурс] Специальная техника, 1999, вып. 6. Режим доступа: http://www.ess.ru/archive/1999 (дата обращения 26.10.2015)

3.     Воробьев, В.А. Промышленные роботы. Кинематика, динамика, контроль и управление/ В.П. Попов, В.А. Воробьев, В.П. Попов. — М.: Солон-пресс, 2007 г.

4.     Зенкевич, С.Л. Основы управления манипуляционными роботами/ С.Л. Зенкевич, А.С. Ющенко. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.

5.     Лапшин, В. В. Механика и управление движением шагающих машин / В.В. Лапшин. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

6.     Робототехника. Шагающие Роботы. Устойчивость. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000016/st027.shtml (дата обращения 25.10.2015)