От бионических моделей движения к роботизированным платформам

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

От бионических моделей движения к роботизированным платформам

Горбачев И.А. 1
1МБОУ "СОШ № 7 г. Пензы"
Лёмина И.В. 1
1МБОУ "СОШ № 7 Г. ПЕНЗЫ"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение

Применение в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы – это бионика. Бионический подход заключается в изучении и использовании опыта живой природы при создании технических систем. Изучение строения животных и бактерий становится той областью, в которой создатели роботов черпают новые идеи. Также один из наиболее впечатляющих разделов робототехники — это создание анималистических роботов и андроидов. Многие устройства, включая предназначенные для выполнения узкоспециализированных задач, сохраняют сходство с человеком и имеют антропоморфные черты.

Основное преимущество бионического подхода состоит в заимствовании у природы готовых к использованию схем и идей. Тем не менее, бионика имеет определенные ограничения, поскольку не все природные решения оказываются оптимальными по сравнению с современными достижениями инженерной мысли.

Актуальность исследования: В современном мире используется большое количество различных роботизированных платформ в самых различных целях, однако большинство из них традиционно являются колёсными или гусеничными, что обусловлено простотой управления. Это значит, что все они имеют схожие недостатки. В тоже время, природа в ходе эволюции разработала совершенные системы передвижения, изучив которые возможно улучшить характеристики создаваемых платформ.

Цель работы: рассмотреть механизмы движения различных бионических моделей, выявить их ограничения и преимущества. Разработать роботизированную «платформу-конечность» антропода.

Задачи исследования:

Рассмотреть механизмы движения бионических моделей гексапода, квадропода и антропода.

Выявить их ограничения и преимущества для различных областей применения.

Определить самую эффективную модель для замены человека в среде человеческой жизни.

Рассчитать кинематику движения платформы антропода.

Построить роботизированную платформу-конечность антропода.

Объект исследования: движение конечностей живых организмов и их роботизированных аналогов.

Предмет исследования: кинематика движения двуногой роботизированной платформы.

Методы исследования: теоретические – анализ, сравнение, обобщение, моделирование; эмпирические: анализ литературы, наблюдение, тестирование образца.

Теперь уже мало у кого есть сомнения, что рано или поздно роботы, безусловно, займут свое место рядом с человеком. С начала развития робототехники, появился интерес к области их применения, требующий от роботизированной системы повышенной мобильности в условиях реального мира. Сюда относится выполнение задач, требующих передвижения по пересечённой местности, завалам, внутри зданий, сооружениям, узким шахтам и т.п.Зачастую требуется применение роботов, использующих шагающее движение, вместо колесного.

Мы рассмотрим способы передвижения животных и их аналогов – роботизированных платформ, имитирующих природную механику движения, и исследуем кинематику движения двухногого шагающего робота.

Биомеханика и робототехника

Биомеханика — раздел естественных наук, изучающий движения животных организмов, в частности человека. Она возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания. Кроме того, биомеханика обслуживает такие области действия как разработка роботов (бионика), инженерная биомеханика, медицинская биомеханика.

Механика движения в природе

Конечности млекопитающих формировались сходными образами, т. к. они имеют общих предков. Они имеют схожий скелет и строение мышц, разница в распределении длин сегментов скелета и прилагаемых мышечных усилиях. Строение лап насекомых, существенно отличается.

Антропод. Механика движения для антропода и четырехногих млекопитающих схожа. Стопы используется как рычаг для толчка в голеностопном суставе, с последующим продолжением данного движения за счет распрямления коленного и тазобедренных суставов, а также распрямления пальцев стопы. В случае бега или прыжка распрямление происходит очень быстро, придавая телу необходимый импульс.Основное назначение пальцев стопы в поддержании равновесия в покое, а также гашении ударной нагрузки в момент приземления при беге либо прыжке. Нога прямоходящего млекопитающего (см. приложение 1, рис. 1) имеет достаточную опору, что обусловлено наличием ярко-выраженной стопы. Опора осуществляется на всю поверхность стопы, что в тоже время накладывает ограничения на длину стопы.

Короткая стопа делает тело менее устойчивым, т. к. такая стопа дает слабый рычаг. Последующее распрямление коленного и тазобедренного суставов имеют маленькую величину проекции вектора скорости на горизонтальную плоскость и направленно в основном вверх, что обусловлено разнонаправленными суставами. Длинная стопа обеспечивает хорошую опору в статическом состоянии и хороший рычаг для придания первоначального импульса движения. При этом она ограничивает возможности маневра, и накладывает ограничения на стиль движения. Это резкие прыжки, как у кенгуру (см. приложение 1, рис. 2 и 3).

Разнонаправленное распрямление суставов прямоходячего млекопитающего обеспечивает возможность удерживать центр тяжести над площадью опоры ограниченного стопами, но при этом влияет на скорость перемещения. При этом не стоит забывать о постоянном контроле положения тела и балансировании центром тяжести для избегания падения.

Квадропод. Передние и задние ноги у четырёхногого млекопитающих имеют различное строение.Передняя нога (см. приложение 1, рис. 4) имеет малую площадь опоры, т.к. четырех точек достаточно для задания плоскости. Одинаковое направление распрямления суставов передних ног позволяет развивать гораздо большие скорости, чем в случае с двуногим прямо-ходячим. Задние ноги (см. рис.5) опираются не на всю стопу а только на пальцы, и как правило имеют более длинную стопу, что позволяет использовать ее как более эффективный рычаг, придавая большую скорость.За это приходится жертвовать маневренностью — свобода перемещения ноги при единичном шаге гораздо меньше, а значит нужно больше шагов для разворота (см. рис.6). Изменение направления бега возможно только большими радиусами, что обусловлено как достаточно большой собственной инерцией, так и ограничениями перемещения конечностей.

Гексоподы. В природе они представлены насекомыми.

Мы будем рассматривать строение конечностей и особенности передвижения взрослых особей. Лапы расположены по три справа и слева от тела симметрично относительно строительной оси.

У насекомых можно выделить несколько основных схем движения не связанных с полётом. Строение лапы насекомого отчасти напоминает строение ноги млекопитающего (см. приложение 1, рис. 7). Расположение лап преимущественно в вертикальной плоскости.

1. Паукоподобное строение лап (как пример - водомерки) предполагает распределение малого веса насекомого на большую площадь опоры за счет длины ног, многократно превышающей размеры тела насекомого. Такое строение конечностей позволяет перемещаться по воде, используя силу поверхностного натяжения жидкости. От мощной мускулатуры пришлось отказаться для облегчения конструкции. В каждый момент времени перемещается одна лапа — остальные стоят на поверхности. Центр тяжести насекомого перемещается путём сгибания остальных пяти лап таким образом, чтобы находиться максимально близко к геометрическому центру площади опоры. Данные насекомые обладают большой скоростью и маневренностью, но только на абсолютно ровной поверхности.

2. Кузнечики (и иные прыгающие насекомые). Задние конечности имеют гораздо большие относительно туловища размеры и мощную мускулатуру конечностей, что позволяет совершать прыжок на приличное расстояние, многократно превышающее собственные размеры. Для мягкого приземления при этом используются крылья. Для обеспечения максимально сильного прыжка ноги расположены вертикально, параллельно друг другу и направлены назад. Прыжковые лапы у данного типа насекомых являются самым прочным элементом из конструкции. Разворот задних лап для таких насекомых это тяжелая задача. Нагрузка в момент прыжка на поверхность во много раз превышает собственный вес насекомого.

3. Жуки (а также, муравьи, и др.) имеют равномерно развитые и достаточно подвижные ноги, редко превышающие длину тела насекомого, крепятся к грудному отделу панциря насекомого. Задние ноги, как правило, более развиты чем остальные для поддержания веса брюшка. Расположение ног преимущественно вертикальное, хотя в отдельных случаях, при перемещении, они могут разворачиваться в горизонтальную плоскость. Ноги являются достаточно подвижными. При движении в каждый момент времени на поверхности стоит не менее 3-х ног. Как правило, за один раз перемещается 1 пара ног. Ноги при движении не пересекаются. Обладает средней нагрузкой на опорную поверхность, распределяющей вес тела на 6 лап в состоянии покоя и минимум на 4 лапы в движении. Ноги свободно перемещаются как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, позволяя преодолевать препятствия сопоставимые, а в ряде случаев и превышающие собственный рост. Легко меняет направление движения (см. Приложение 1).

Таким образом, из анализа способов перемещения насекомых мы видим, что наиболее проходимой является жукоподобная конструкция. Кузнечику требуется система приземления (крылья). А водомерка слишком хрупкая и не может работать на пересеченной местности.

Основные типы платформ в робототехнике

Существует множество схем движения, но мы решили остановиться именно на природных. Они существовали на Земле задолго до появления человека и показали свою эффективность за миллионы лет эволюции.

Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы – это бионика. Одним из важнейших направлений в бионике является поиск оптимальных схем движения[8].

Основные условия для движущихся объектов: свойства и рельефа поверхности, действие внешних сил, скоростные показатели. За основу могут быть взяты самые разные платформы: колесные и гусеничные роботы; шагающие роботы; гибридные (колеса и конечности); специализированные (летающие, ползающие, плавающие).

Рассмотрим подробнее два наиболее распространенных вида роботов:

Первая группа - колесные и гусеничные роботы. Первый вид использует в качестве средства перемещения колесо. Данный способ позволяет достигать очень хороших скоростных показателей и легкое изменение траектории движения на ровных поверхностях. Недостатком колесной конструкции является сложность или невозможность преодоления препятствий с резким перепадом высоты, пробуксовка вследствие недостаточного сцепления колес с поверхностью или провал колеса при перепаде высот. Гусеничные конструкции не так легко изменяют траекторию при движении, но получают возможность поворота на месте. Также гусеницы решают некоторые проблемы колесной конструкции – провал колеса при небольшом, но резком перепаде высот поверхности. Тем не менее, если перепад высот резкий (угол наклона более 45°) и высота преграды превышает около трети диаметра колеса, то преодолеть преграду будет затруднительно. Особенностью средств перемещения, построенных на колесной базе, является наличие трека (колеи), на протяжении которого робот оказывает давление на поверхность[5].

Вторая группа - шагающие роботы. Их отличительной особенностью является то, что при проектировании конструкции используется биологический подход. Конструкция и алгоритм ходьбы строится на основе материалов наблюдений за живым существом. Под шагающим механизмом понимается механизм, оставляющий в процессе передвижения прерывный след. Основная задача шагающего робота – это передвижение по поверхностям со сложным рельефом, значит, этот робот при своем передвижении приспосабливается к изменяющейся форме поверхности и представляет собой систему, которая может приспосабливаться к изменениям внутренних и внешних условий[1].

Различие вариантов конструкций обусловлено разнообразием используемых примеров из живой природы, но при этом можно выделить общие черты, и как следствие преимущества и недостатки.

Таким образом, исходя из оценки возможностей роботов двух видов понятно, что шагающие машины лучше приспособлены для преодоления препятствий и движения по неровному покрытию. Движение по относительно ровной поверхности не является технически сложной задачей. Движение по неровной, с заранее неизвестным рельефом поверхности требует разработки алгоритмов передвижения и конструктивных приспособлений.

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[6]. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов. Однако преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность, ведь он требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара и т.д.

Сравнительный анализ шагающих платформ и разработка роботизированной платформы-антропода

Проект учебно-исследовательский, с элементами инженерного, краткосрочный (январь - март 2022). Программа реализации проекта и смета расходов представлены в приложении 2.

Сравнительный анализ шагающих роботизированных платформ

Для наземных систем чаще всего используются три вида схем: антропод - человекоподобная платформа, использующая опорно-двигательный аппарат, состоящий из 2-х конечностей; квадропод (рободог) - платформа, использующая опорно-двигательный аппарат, состоящий из 4-х конечностей; гексапод - платформа, использующая опорно-двигательный аппарат, состоящий из 6-х конечностей.

Рассмотрим эти платформы с таких позиций как: схема движения, скорость, манёвренность, проходимость, энергопотребление, допустимость пересечённости рельефа, строение опоры, стоимость создания.

Анализ платформ по схеме движения

Любая из платформ требует контроля положения центра тяжести в режиме передвижения шагом, так, чтобы он постоянно находился над многоугольником описанным конечностями, стоящими в данный момент на поверхности, а для двуногой платформы точно над стопой единственной опорной конечности. Момент инерции для неспешного перемещения шагом будет не столь велик, чтобы оказывать серьезное воздействие на устойчивость платформы, но в режиме бега момент инерции оказывает на порядок большее воздействие, и уже должен учитываться при движении. Наиболее устойчивыми по схеме движения будут платформы гексоподы, т.к. они обладают достаточным количеством точек опоры, для обеспечения постоянного контакта с поверхностью 3-х или более ног, без особого ущерба, как для скорости движения, так и для маневренности. Квадроподы также могут использовать схему с постоянным контактом 3-мя конечностями, но это сильно замедлит движение. Для квадроподов также как и для антроподов, применяются схемы движения с динамической устойчивостью, такие как схема с ожидаемым заваливанием на переносимую конечность для квадроподов, либо схемы, основанные на компенсации момента инерции (обратный маятник)[9]. Для режима бега этих платформ всегда будет применяться схема динамической устойчивости учитывающая инерцию, по сути, во многом повторяя упрощенный вариант бега антропода, где отсутствует необходимость бокового смещения центра тяжести при опоре на правую или левую ногу [3].

Анализ платформ по скорости

Скорость платформ-антроподов сильно ограничена алгоритмом обеспечения динамической устойчивости, т.к. потеря устойчивости и стабильности, может привести к падению или перевороту платформы.

Платформы-гексаподы не имеют недостатка в устойчивости, однако их скорость ограничена небольшими шагами, которые обусловлены строением конструкции и плотным расположением конечностей относительно друг друга, что хорошо видно из анализа мертвых зон перемещения конечностей и разнонаправленной ориентацией разворота колен конечностей. Такая конструкция позволяет быстро менять направление движения, но существенно снижает полезное действие разгибания конечности.

Самую большую скорость могут развивать платформы квадроподы. Их строение позволяет наиболее устойчиво двигаться в выбранном направлении с большой скоростью, т.к. направление усилия разгибания конечности у них максимально приближенно к нормальному направлению движения. В тоже время, за счет того, что передние конечности у них разнесены несколько шире, чем ширина стопы двуногого робота с той же высотой центра тяжести, то вероятность бокового заваливания при быстром движении существенно ниже и проявляется только на моментах изменения направления движения робота.

Анализ платформ по маневренности

Антроподу для поворота требуется провести больше действий, связанных с обеспечением собственной устойчивости[10], чем квадроподу и гексоподу. Конструкция квадропода позволяет ему маневрировать легче, чем антропоиду, т.к. для этого ему необходимо совершить меньше действий. Лучшую манёвренность могут показать гексаподы, т.к. они могут свободно двигаться в любом направлении. Ни одна классическая платформа не имеет такую свободу движения платформы в целом в любом направлении как гексапод. Но в местах адаптированных людьми «под себя» выиграют антроподы, при условии разработки адекватного алгоритма движения[2].

Анализ проходимости

Классические платформы имеют сравнительно небольшую проходимость и уступают по этому параметру всем природным платформам.

Проходимость антропоида обуславливается положением его «коленного сустава» и динамической устойчивостью. Чем выше расположение «колена», и чем выше стабильность платформы в движении, тем больше проходимость платформы. Антропоиды могут преодолевать объекты, не превышающие по высоте их «коленный сустав».

Квадропод имеет проходимость, зависящую от конструкции его конечностей (от угла поворота всей конечности). Большинство квадроподов может подниматься на объекты, не превышающие по высоте их корпус.

Самую большую проходимость имеют гексаподы. При определённом виде конструкции (гибкого тела робота и больших конечностях) они могут подниматься на объекты, превосходящие роботов по размеру.

Анализ допустимой пересечённости местности

Для робота-антропода пересечённость местности должна быть минимальной. Препятствия не должны превышать по высоте его «колено», а по длине не больше его конечности.

Квадроподы не требуют очень ровных поверхностей, однако в рельефе не должно быть барьеров, которые будут выше корпуса платформы.

Гексапод может передвигаться почти по любым поверхностям. При наличии гибкой конструкции робот преодолевать препятствия, превосходящие его корпус по длине и высоте.

Анализ стоимости изготовления

Самой дорогой в производстве платформой будет антропод, т.к. для её создания требуется больше всего моторов на одну конечность, а также специализированная система стабилизации в корпусе, состоящая из дополнительных приводов и гироскопических датчиков. Следующим по цене роботом будет гексапод, его цена будет зависеть от количества сервоприводов в одной конечности (от 3 до 5). Самым дешёвым в производстве будет квадропод. Итоговые результаты анализа шагающих платформ представлены в таблицах (см. Приложение 3).

Таким образом, проведя многосторонний анализ, мы не можем выделить лучшую платформу, т.к. требуемые параметры платформ будут диктоваться целевой средой применения. В природных системах наиболее устойчивой является шестиногая модель, наиболее быстрой – четырехногая, а наиболее маневренной – двухногая модель. Антропод, имея ряд недостатков связанных со сложностью поддержания устойчивости и управления передвижением, является востребованным с точки зрения схожести своей конструкции с человеком, что позволяет ему функционировать в среде, приспособленной для людей[4]. Он является самой эффективной моделью для замены человека в экстремальных условиях, как сверхсильный и выносливый помощник, а также для разработки бионических имплантов конечностей.

Интуитивно понятно, что сложность расчетов устойчивости робота при движении будет напрямую зависеть от числа конечностей, хотя также интуитивно понятно, что большее число конечностей дает более устойчивую схему движения. Исходя из этой предпосылки, выполним расчет устойчивости двуногого робота. Найдем закон, описывающий устойчивое положение робота, исходя из взаимного расположения частей робота (конечностей и центра массы робота).

Кинематика движения робота-антропода и создание управляемой модели

Кинематика робота – это аналитическаяфункциявремени, описывающая относительное движение робота в выбранной системе координат.Физическаямодельроботапреобразуется в математическуюмодельвзаданнойсистемекоординат. Движение робота в пространстве -функция от времени. Она определяется относительным положением звеньев робота иуглами между ними независимо от сил и моментов, возникающих в результате этих движений. Звенья робота - это непрерывная часть, расположенная между двумя суставами [7]. Для упрощения расчетов, все звенья робота, расположенные выше тазобедренных суставов мы будем считать единым звеном.

Для расчета алгоритма движения робота, мы связываем его тело с системой координат, как правило, с центром массы робота, а направление движения вперед, принимается за ось X.

Можно получить выражения для координат каждогозвена,используягеометрическиехарактеристикизвеньевиобобщеннуюкоординатуθ,т.е.уголмеждуосьюзвенаивертикалью.Этотметодмоделированияне только интуитивно понятен,но изначительносокращаетобъем расчетов. В результате для планирования походки в этой модели, черезобобщенные углы θ каждого сустава как функции времени t, можно получитьуглыповоротазвеньеввкаждомсуставе.

Р ис. 11 Модель робота из семи звеньев

Для моделированияпрямойкинематики двуногого робота упрощаем модель до семи звеньев (см. рис.11).Движениерукмы не рассматриваем.

Введем глобальную систему координат OXYZ. Началосистемыкоординатнаходитсявцентреопорныхстопроботавначалеегодвижения,направлениеосиZпротивоположнонаправлению силы тяжести, а ось X перпендикулярна оси Z, лежит в плоскостисимметриироботаинаправленавсторону его движениявперед.

Цель решения задачи прямой кинематики состоитвописанииположениятазобедренныхиголеностопныхсуставоввсистемекоординатчерезгеометрическиеразмерызвеньевli(i=1,2,3,4)иобобщенныекоординатыθi(i=1,2,…,6)каждогозвена.

Значениякоординаткаждогосустававдекартовойсистемекоординат:

Координатыцентрамасскаждогозвена:

.

Координатыцентрамассдвуногогоробота:

где масса каждого из звеньев, а x и z координаты его центра масс.

Таким образом, мы вывели базовые зависимости, отвечающие за устойчивость шагающих роботизированных платформ, и привели формулы, которые позволяют производить динамическое планирование перемещения робота с сохранением устойчивости, исходя из индивидуальных параметров платформы, таких как масса составных звеньев робота и длины этих звеньев.

Конструирование ноги антропода мы проводили на платформе Arduino Uno, а программу управления движением (скетч) создали в приложении Arduino IDE (см. приложение 4).

Заключение

Мы рассмотрели три бионические модели движения: антропод, квадропод и гексапод. Каждая из этих моделей имеет свою специфику и оптимальный диапазон работ.

В данной работе была разработана упрощенная многозвенная модель двуногого антропоморфного робота, предназначенная для решения задач прямой кинематики с использованием обобщенных координат. Мы вывели базовые зависимости, отвечающие за устойчивость шагающих роботизированных платформ. В пункте 2.2 приведены формулы, позволяющие производить динамическое планирование перемещения робота с сохранением устойчивости, исходя из индивидуальных параметров платформы, таких как масса составных звеньев робота и длины этих звеньев.

Далее, мы разработали роботизированную платформу на основе бионической конечности антропода. Подобные платформы можно использовать в различных направлениях – от создания сверхсильных и выносливых антропоидных роботов до разработки бионических имплантов (например, биологический имплант - нога).

Двуногие шагающие роботизированные платформы могут применяться в различных ситуациях: использование в работах, применяемых для замены человека в труднодоступных местах и опасных условиях; в экзоскелетах, использующихся для помощи людям, утратившим функции самостоятельной ходьбы; в экзоскелетах, используемых в экстремальных условиях для увеличения физических возможностей человека; в развлекательных аттракционах.

В настоящее время исследования человекоподобных роботов проводятся во многих странах мира. Люди рассматриваются как бионические прототипы роботов, ведь роль двуногой ходьбы в эволюции человека очень важна. Антропоморфные роботы имеют форму и кинематику близкую к человеку, что позволяет использовать их в среде человеческой деятельности. Для того, чтобы расширить сферу применения таких роботов, необходимо добиться стабильной ходьбы двуногих роботов по сложной местности, в частности по наклонным и подвижным поверхностям. Хотя исследования роботов-антроподов ведутся давно, применение их в человеческой жизни все еще очень ограничено из-за низкой приспособляемости робота к сложной среде человеческой деятельности, поэтому совершенствование подобных платформ неизбежно и необходимо для улучшения характеристик.

Результаты данной проектной работы могут быть интересны не только школьникам среднего и старшего звена, но и студентам колледжей при изучении робототехники.

В дальнейшем мы планируем продолжить наши исследования двуногих роботизированных платформ и изучить алгоритмы их движения (алгоритмы с заранее сконфигурированными параметрами и адаптивные алгоритмы).

Список использованных источников:

Афанасьев О.А., Гендель В.С., Зимин А.В. Шагающие машины Теория Механизмов и Машин. - 2005. - №1. - Том 3 – 263c.

Ван Ц., Деваев В. М. Метод управления ходьбой малого антропоморфного робота по подвижной поверхности. // «Вестник КНИТУ-КАИ». 2020г. - № 3.

Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семёнов С. E. Управление движением двуногого шагающего робота по программной траектории //Машиностроение и компьютерные технологии. – 2011. – №. 5.

Лазарев М. C., Львов А. Ю., Фадеев А. Ю. Перспективы применения антропоморфных роботов в образовательном процессе//ХVIII Всероссийская научно-практическая конференция молодых исследователей образования. – 2019. – 465c.

Макаров И. М., Топчеев Ю. И. Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003. — 349 с.

Охоцимский Д. Е., Платонов А. Н. Алгоритмы управления шагающим аппаратом, способным преодолевать препятствия //Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. – 1973. – №. 5. – 184c.

Павлюк Н. А., Ронжин А. Л. Конструктивные решения нижних конечностей для антропоморфного робота Антарес //Экстремальная робототехника. – 2016. –Т. 1. – №. 1. – С. 422-427.

Спиркин, А. Н. Бионические методы управления роботизированным механизмом / А. Н. Спиркин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2020. – № 4 (34). – С. 84–91.

Формальский А. М. и др. Управление двуногими роботами. – Российский фонд фундаментальных исследований, 1996. – №. 96-01-01443.

Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. –Formalskii Alexander, 1982 - с.149.

Приложение 1

Механика движения в природе

Антроподы

 

Рис. 1 Нога прямоходящего млекопитающего

Рис. 2 Мертвая зона для перемещения ноги с короткой стопой

Рис.3 Мертвая зона для перемещения ноги с длинной стопой

Квадроподы

 

Рис.4 Передняя нога четырехногого млекопитающего

Рис.5 Задняя нога четырехногого млекопитающего

Рис.6 Мертвая зона шага четырехногого млекопитающего

Гексаподы

 

Рис. 8 Свобода перемещения ног водомерки

Рис. 7 Нога насекомого

 

Рис.9 Свобода перемещения ног кузнечика

Рисунок 10 Свобода перемещения ног жука

Приложение 2

Таблица 1

Программа реализации проекта

№№

Наименование этапа

Сроки реализации

1 этап - подготовительный

 

Определение цели, задач проекта и реализации проекта

Январь 2022

 

Изучение тематической литературы по механике движения в природе

Январь 2022

 

Обзор существующих типов платформ в робототехнике

Январь 2022

 

Разработка плана практической реализации проекта

Январь 2022

 

Составление сметы расходов на реализацию проекта

Январь 2022

 

Приобретение материалов для изготовления роботизированной конечности антропода

Январь 2022

2 этап - основной

 

Сравнительный анализ шагающих роботизированных платформ

Февраль 2022

 

Расчет кинематики движения робота-антропода

Февраль 2022

 

Создание роботизированной платформы конечности антропода и программу управления движением

Февраль 2022

3 этап - заключительный

 

Оформление презентации проекта

Март 2022

 

Представление опыта работы на НПК школьников на уровне образовательного учреждения.

Март 2022

Таблица 2

Смета расходов

№№

Статья расходов

Количество

Цена (руб.)

Сумма (руб.)

 

Макетная плата с проводами

1 комплект

159,79

159,79

 

Джойстик двухосевой

2 шт.

49.48

98.96

 

Скользящий потенциометр 10КОм

1 шт.

70.57

70.57

 

Микроконтроллер Arduino Nano

1 шт.

327.30

327.30

 

Сервопривод MG90s

5 шт.

166.28

831.4

 

Итого

1532.99

Приложение 3

Сравнительный анализ шагающих роботизированных платформ

Таблица 3

Сравнение шагающих робоплатформ между собой

 

схема

скорость

маневренность

проходимость

Пересечённость местности

цена

Антропод

3

2

3

3

3

3

Квадропод

2

1

2

2

2

1

Гексопод

1

3

1

1

1

2

Таблица 4

Сравнение шагающих роботов с традиционными (колесными и гусеничными)

В сравнении с традиционными платформами

схема

скорость

маневренность

проходимость

Пересечённость местности

строение

цена

Антропод

-

-

+

+-

+-

-

-

Квадропод

+

+

+

+

+

+-

+-

Гексопод

+

-

+

+

+

-

+-

Приложение 4

Программа управления робоногой в приложении Arduino IDE

#include <Servo.h>

/** \сдфыы */

class Feet {

public:

enum FeetPosition {LeftFeet, RightFeet};

/** \brief Конструктор класса ноги

* \param pos позиция ноги (правая/левая)

* \param hip_step номер вывода ШИМ шага в бедре

* \param hip_deviation номер вывода ШИМ бокового отклонения бедра

* \param hip_turn номер вывода ШИМ поворота бедра (право-лево)

* \param knee номер вывода ШИМ шага в колене

* \param foot_step номер вывода ШИМ продольного отклонения сотпы

(носок-пятка)

* \param foot_roll номер вывода ШИМ поперечного крена стопы */

Feet (FeetPosition pos, int hip_step, int hip_deviation, int

hip_turn, int knee, int foot_step, int foot_roll);

/** \brief Задать поворот бедра

* \param degr поворот бедра (считается от нормального положения

наружу относительно корпуса) */

void hip_turn(int degr);

/** \brief Текущий разворот бедра */

int hip_turn();

/** \brief Задать отклониене бедра наружу / вовнутрь

* \param degr угол отклонения бедра - положительный угол

соответствует отклонению наружу */

void hip_deviation(int degr);

/** \brief Текущий угол отклонения бедра */

int hip_deviation();

/** \brief Задать угол шага в бедре

* \param degr угол шага в градусах - подъем бедра соответствует

положительному значению */

void hip_step(int degr);

/** \brief текущий угол подема бедра */

int hip_step();

/** \brief Задать угол шага в колене

* \param degr угол шага в градусах - сгибание колена соответствует

положительному значению */

void knee_step(int degr);

/** \brief Текущий угол шага в колене */

int knee_step();

/** \brief Задать угол шага стопы

* \param degr угол шага стопы в градусах, положительные значения

соответствуют вытянотому носку, отрицательные - носок задран вверх*/

void foot_step(int degr);

/** \brief Текущий угол шага стопы */

int foot_step();

/** \brief Задать угол крена стопы */

void foot_roll(int degr);

int foot_roll();

private:

Servo servo_hip_step;

Servo servo_hip_deviation;

Servo servo_hip_turn;

Servo servo_knee;

Servo servo_foot_step;

Servo servo_foot_roll;

FeetPosition position;

};

class Control {

public:

Control(int hip_step, int hip_deviation, int hip_turn, int knee,

int foot_step, int foot_roll);

void setFeetPosition();

private:

int m_hip_step;

int m_hip_deviation;

int m_hip_turn;

int m_knee;

int m_foot_step;

int m_foot_roll;

};

Feet* left_feet = NULL;

Control* ctrl = NULL;

Feet::Feet(FeetPosition pos,int hip_step, int hip_deviation, int

hip_turn, int knee, int foot_step, int foot_roll) {

position = pos;

// Задаем соединения с сервоприводами ноги

servo_hip_step.attach(hip_step, map(-30, -90, 90, 544, 2400),

map(120, -90, 90, 544, 2400));

servo_hip_deviation.attach(hip_deviation, map(-30, -90, 90, 544,

2400), map(90, -90, 90, 544, 2400));

servo_hip_turn.attach(hip_turn, map(-30, -90, 90, 544, 2400), map(90,

-90, 90, 544, 2400));

servo_knee.attach(knee, 544, map(120, -90, 90, 544, 2400));

servo_foot_step.attach(foot_step, map(-30, -90, 90, 544, 2400),

map(60, -90, 90, 544, 2400));

servo_foot_roll.attach(foot_roll, map(-30, -90, 90, 544, 2400),

map(30, -90, 90, 544, 2400));

// Выпрямляем ногу в нормальное состояние

this->hip_turn(0);

this->hip_deviation(0);

this->hip_step(0);

this->knee_step(0);

this->foot_step(0);

this->foot_roll(0);

}

void Feet::hip_turn(int degr) {

servo_hip_turn.write(degr + 90);

}

int Feet::hip_turn() {

return servo_hip_turn.read() - 90;

}

void Feet::hip_deviation(int degr) {

servo_hip_deviation.write(degr + 90);

}

int Feet::hip_deviation() {

return servo_hip_deviation.read() - 90;

}

void Feet::hip_step(int degr) {

servo_hip_step.write(degr + 90);

}

int Feet::hip_step() {

return servo_hip_step.read() - 90;

}

void Feet::knee_step(int degr) {

servo_knee.write(degr);

}

int Feet::knee_step() {

servo_knee.read();

}

void Feet::foot_step(int degr) {

servo_foot_step.write(degr + 90);

}

int Feet::foot_step() {

return servo_foot_step.read() - 90;

}

void Feet::foot_roll(int degr) {

servo_foot_roll.write(degr + 84);

Serial.print(" FootRoll:");

Serial.print(degr + 84);

}

int Feet::foot_roll() {

return servo_foot_roll.read() - 84;

}

Control::Control(int hip_step, int hip_deviation, int hip_turn, int

knee, int foot_step, int foot_roll) {

m_hip_deviation = hip_deviation;

m_hip_step = hip_step;

m_hip_turn = hip_turn;

m_knee = knee;

m_foot_step = foot_step;

m_foot_roll = foot_roll;

}

void Control::setFeetPosition() {

left_feet->hip_deviation(map(analogRead(m_hip_deviation), 0, 1023,

-30, 90));

left_feet->hip_turn(map(analogRead(m_hip_turn), 0, 1023, -30, 90));

left_feet->hip_step(map(analogRead(m_hip_step), 0, 1023, -30, 120));

left_feet->knee_step(map(analogRead(m_knee), 0, 1023, 0, 90));

left_feet->foot_step(map(analogRead(m_foot_step), 0, 1023, -30, 90));

left_feet->foot_roll(map(analogRead(m_foot_roll), 0, 1023, -30, 30));

}

void setup() {

Serial.begin(9600);

while (!Serial);

left_feet = new Feet(Feet::LeftFeet, 2, 3, 4, 5, 6, 7);

//Control(int hip_step, int hip_deviation, int hip_turn, int knee,

int foot_step, int foot_roll);

ctrl = new Control(A0, A1, A2, A3, A4, A5);

// Даем время развернутья всем приводам

delay(1000);

}

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

delay(150);

ctrl->setFeetPosition();

Serial.println();

24

Просмотров работы: 12