4. Шагающие опорные модули.

Шагающие роботы имеют много преимуществ: они хорошо подходят для пересеченной местности, могут подниматься по ступеням, преодолевать рвы и работать там, где не могут колеса и гусеницы.

Обладая целым рядом преимуществ, шагающие аппараты уступают им по некоторым важным показателям. Принципиальное различие способов перемещения состоит в характере движения центра тяжести аппарата относительно корпуса. При движении колесных средств центр тяжести не изменяет своих координат в системе, связанной с корпусом. При перемещении аппарата шагающего типа, центр тяжести при ходьбе смещается по вертикали. [6]

Для того чтобы какое-либо тело при движении находилось в устойчивом положении, в общем случае необходимо, чтобы оно имело опору по крайней мере в трех точках. Следовательно, чтобы шагающий аппарат был устойчивым, ему необходимы по крайней мере три ноги. Вместе с тем человек пользуется при ходьбе двумя ногами и обладает достаточно большой устойчивостью. Более того, при необходимости он способен перемещаться даже на одной ноге - прыжками. Однако создание мобильных роботов, способных передвигаться на двух ногах так же устойчиво, как и человек, сопряжено с огромными трудностями, и основная из них заключается как раз в разработке методов, обеспечивающих динамическую устойчивость двуногого шагающего аппарата. [3]

Первые публикации, посвящённые теоретическим и практическим вопросам создания шагающих роботов, относятся к 1970—1980-м годам.

Перемещение робота с использованием «ног» представляет собой сложную задачу динамики. Уже создано некоторое количество роботов, перемещающихся на двух ногах, но эти роботы пока не могут достичь такого устойчивого движения, какое присуще человеку. Также создано множество механизмов, перемещающихся на более чем двух конечностях. Внимание к подобным конструкциям обусловлено тем, что они легче в проектировании. Предлагаются также гибридные варианты.

Самый первый в мире шагающий робот, способный в полном смысле этого слова передвигаться на двух ногах, был разработан в Университете Васэда под руководством д-ра Кадо. Общий вид этого робота показан на рисунке, также представлены кинематические схемы, иллюстрирующие особенности степеней подвижности этого робота.

Как следует из рисунка, кинематический механизм робота включает 11 шарниров (обладает 11 степенями подвижности). Среди них: шарниры стопы (2 шт.), шарниры лодыжки (2 шт.), коленные шарниры (2 шт.), бедренные шарниры (2 шт.), поясничные шарниры (2 шт.), шарнир наклона корпуса (1 шт.). Перечисленные шарниры в соответствии с расположением своей оси вращения обеспечивают один из трех типов движения: качание, вращение, отклонение. При качании центр тяжести перемещается поступательно в прямом направлении, при вращении он колеблется влево-вправо, а при отклонении возникает возможность для изменения направления поступательного движения центра тяжести. Движение робота в прямолинейном направлении начинается при согласованной работе шести шарниров, каждый из которых обеспечивает перемещение типа "качание". Когда в результате качания нога полностью приподнимается над полом, в работу вступает шарнир типа "вращение", который поворачивает корпус вперед, чтобы центр тяжести робота тоже переместился вперед. Сразу после этого с помощью шарнира наклона корпуса последний слегка наклоняется влево или вправо. В результате поворота и наклона корпуса и прикрепленного к корпусу груза центр тяжести перемещается таким образом, что вся масса робота перераспределяется на одну опорную ногу. Затем при помощи сустава стопы опорной ноги проводится корректировка положения центра тяжести, в результате которой проекция центра тяжести приходится точно на стопу. При этом обеспечивается сохранение контакта стопы с опорной поверхностью всей плоскостью подошвы. Описанный процесс является симметричным по отношению к левой или правой конечности шагающего аппарата; при ходьбе он полностью повторяется на каждом шаге.[3]

Изменение направления движения достигается за счет работы звеньев поясничной части робота (шарниры типа "отклонение"), при помощи которых нога потихоньку разворачивается в нужную сторону.

В общем случае, для того чтобы управлять динамической устойчивой ходьбой двуногого робота, необходимо составить систему уравнений движения шагающего аппарата, моделью которого, как правило, является некоторый многозвенный кинематический механизм. Обычно такой механизм имеет большое число звеньев и обладает многими степенями подвижности. В результате математическая модель аппарата (система уравнений) оказывается слишком сложной, а ее аналитическое исследование становится практически невозможным. Поэтому первое, что необходимо сделать для реализации управления динамической устойчивостью, это найти какой-либо способ упрощения полных аналитических моделей с учетом специфических особенностей двуногой ходьбы. Одна из чрезвычайно простых для аналитического исследования моделей двуногой ходьбы была предложена д-ром Идо. Соответствующая этой модели схема шагающего аппарата показана на рисунке ниже. В данном случае для облегчения анализа приняты следующие, не соответствующие реальности допущения:

● время, в течение которого обе ноги одновременно касаются земли, равно 0;

● длина опорной ноги остается неизменной с момента касания опоры до момента отрыва от нее;

● все движения аппарата совершаются только в сагиттальной плоскости (плоскости, делящей тело человека на правую и левую части), т. е. центр тяжести может перемещаться либо вверх-вниз, либо вперед-назад.

Простейшая модель двуногого шагающего аппарата

Кроме того, предполагается, что стопа касается опорной поверхности только в одной точке, а величина силы трения, возникающей между стопой и полом, достаточна для того, чтобы исключить возможность проскальзывания. Считается, что аппарат приводится в движение только за счет крутящих моментов М и N: первый из них развивается приводом бедренного сустава, а второй возникает под действием силы реакции опоры на стопу. В результате введенных упрощений д-ру Идо удалось провести полное аналитическое исследование движения такого гипотетического аппарата. [3]

Аналитическое описание и анализ движения многозвенного шагающего аппарата с двумя конечностями были выполнены Миядзаки и Аримото. На этот раз основное упрощение было достигнуто за счет отказа от рассмотрения движения робота в пространстве и ограничения задачи плоским двумерным случаем.

Плоская модель двуногого шагающего аппарата.

При аналитическом анализе двуногих шагающих аппаратов для составления уравнений движения этих аппаратов обычно используется принцип Лагранжа: для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма работ всех действующих на систему сил на возможных перемещениях системы равнялась нулю. Сосредоточив свое внимание на анализе принципов ходьбы на ходулях, Ситаяма и Мицура разработали двуногий аппарат, который способен переступать на месте с ноги на ногу, не падая (двуногий переступающий аппарат). Алгоритмы управления, обеспечивающие устойчивость аппарата в вертикальном положении, основаны на аналитическом исследовании уравнений движения этого переступающего робота. Как следует из рисунка ниже, робот управляется от трех электроприводов (фактически используются четыре электромотора, так как привод корпуса состоит из двух электромоторов). Два электродвигателя, обозначенные цифрами I и II, управляют перемещениями вращательного типа (уменьшением или увеличением расстояния между точками опоры двух ног), а два электродвигателя, помеченные цифрой III, управляют движениями типа качания. Направления осей вращения и качания. В исходном положении робот опирается на обе ноги. Если в этом положении вращающий момент, развиваемый двигателем I (или двигателем II), превысит некоторое установленное значение, то правая (или левая) нога оторвется от пола и будет находиться в воздухе в течение некоторого, заранее установленного интервала времени. В результате попеременной работы двигателей I и II робот топчется на месте, поднимая то правую, то левую ногу. Если величина вращающих моментов и период чередования двигателей поддерживаются неизменными, то похожий на обыкновенные ходули шагающий робот будет сохранять устойчивое вертикальное положение в течение всего процесса переступания с ноги на ногу.

Устройство двуногого робота, перемещающегося на ходулях. 1 - электромотор I; 2 - электромотор II; 3 - электромотор III; 4 - корпус; 5 - левая нога; 6 - правая нога 7 - стопа левой ноги; 8 - стопа правой ноги; 9 - вертикальная ось; 10 - ось наклона; 11 - ось качания.

Роботы, использующие две ноги, как правило, хорошо перемещаются по полу, а некоторые конструкции могут перемещаться по лестнице. Перемещение по пересечённой местности является сложной задачей для роботов такого типа. Существует ряд технологий, позволяющих перемещаться шагающим роботам: [5]

1. Сервопривод + гидромеханический привод;

2. ZMP-технология:  (англ. Zero Moment Point, «точка нулевого момента») — алгоритм, использующийся в роботах. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота. Подобный способ движения не характерен для человека;

Траектория перемещения центра тяжести человека при ходьбе: а - смещение центра тяжести в вертикальном направлении (вверх-вниз); б - смещение центра тяжести в горизонтальном направлении, (влево-вправо).

3. Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчёте отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog.

При движении этот робот поддерживает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точки статической устойчивости, что влечёт необходимость своеобразной постановки ног, а также создаёт проблемы с остановкой машины на одном месте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях.

Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчёт кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.