Maloletov-diss

31

значительных препятствий; движение на местности, где препятствия преимущественно представлены ямами или запрещёнными для наступания зонами; движение на местности, где препятствия представляют собой разного рода выступы (камни, брёвна и т. п.); движение в ограниченном пространстве; движение в среде, предназначенной для человека.

Области применения шагающих машин

Рисунок 1.25 — Классификация областей использования шагающих машин

Конкретные условия в рамках этих классов могут значительно различаться, но основные требования к проходимости и необходимому числу степененй свободы в рамках каждого класса близки друг к другу. Машины способные перемещаться в более сложных условиях могут двигаться и в более простых. Поэтому отнесение конкретной машины к тому или иному классу определяется наиболее сложными условиями, для работы в которых эта машина предназначена.

Ограниченное пространство представляет собой область движения машины, в которой препятствия и проходы сравнимы с размерами машины. Преодоление таких препятствий связано с необходимостью забираться на них и спускаться с них, обход препятствий затруднён или невозможен, из множества доступных для машины законов движения корпуса и ног лишь небольшая часть

32

удовлетворяет критерию отсутствия столкновений с препятствиями. Такие условия характерны для зон природных и техногенных катастроф, движения в густом лесу, в горах, внутри различных объектов искусственного происхождения. В этих условиях предъявляются наиболее строгие требования к проходимости машин, здесь сильнее всего проявляются преимущества шагающих машин перед машинами с традиционными движителями.

Среда, предназначенная для человека представляет собой частный случай ограниченного пространства, выделение которого в отдельный класс связано с его особой важностью и распространённостью. Типичными задачами здесь являются движение по стандартным лестницам, проход в дверные проёмы стандартных размеров, движение по коридорам стандартной ширины.

Средой с препятствиями типа выступов считается местность, которая содержит большое количество различных препятствий, но эти препятствия не создают ограниченного пространства, то есть большинство потенциально доступных для машины движений не приводят к столкновениям с препятствиями. Примерами таких условий являются редколесье, завалы камней, валы, овраги и тому подобное.

Местность, где препятствия представлены преимущественно ямами или зонами, запретными для наступания, отличается от предыдущего случая тем, что необходимость специального учёта возможностей столкновения с препятствиями при синтезе программных движений машины практически отсутствует. Типичным способом преодоления препятствий в таких условиях является перешагивание или обход препятствий. На такой местности полностью отсутствуют или имеются в небольшом количестве выступающие препятствия, не представляя существенных сложностей для их обхода. Примером таких условий является минное поле с известными расположениями мин.

Местность без значительных препятствий — это территория, по которой шагающая машина может перемещаться без необходимости преодолевать

33

препятствия, сравнимые по размерам с машиной. Неровности грунта могут быть либо достаточно мелкими (кочки), либо достаточно крупными (холмы), чтобы к показателям профильной проходимости не предъявлялись особые требования. Значительные препятствия могут присутствовать, но в единичных количествах, так, чтобы прокладка трассы в обход этих препятствий не представляла особых сложностей. Необходимость в использовании шагающих машин в подобных условиях определяется трудностями грунтовой проходимости или экологическими требованиями. Примерами такой местности являются: пески, болота, размытые грунтовые дороги, сельскохозяйственные угодья и тому подобное.

Классификация шагающих машин

Классификация шагающих машин возможна по различным конструктивным и эксплуатационным признакам. Наиболее важные признаки классификации показаны на рисунке 1.26.

По своим возможностям проходимости шагающие машины можно условно разделить на машины грунтовой и профильной проходимости.

Машины грунтовой проходимости предназначены для преодоления препятствий, несоизмеримых с габаритами машины. Это могут быть как очень маленькие препятствия (кочки), так и очень большие (холмы). Типичной областью применения таких машин является местность без значительных препятствий. А также с некоторыми ограничениями такие машины могут использоваться в условиях, где препятствия представлены ямами или выступами.

Машины профильной проходимости обеспечивают преодоление препятствий, сравнимых по размерам с габаритами машины. Машины профильной проходимости способны работать в более сложных условиях ограниченного пространства, эффективно преодолевать выступы и впадины, однако это достигается за счёт усложнения самой машины, шагающих движителей и системы управления.

35

По реализуемым режимам движения шагающие машины делятся на статически и динамически устойчивые. Статически устойчивый режим движения реализуется в случае, если в каждый момент времени замороженная конфигурация машины находится в статическом устойчивом равновесии [147, 195]. Под замороженной конфигурацией понимается твёрдое тело, получающееся при жёсткой фиксации ног относительно корпуса в том положении, в котором они находятся в рассматриваемый момент времени. Если контакт ног с опорной поверхностью носит точечный характер, то выполнения условий устойчивого статического равновесия в каждый момент времени в опоре должно находиться не менее трёх ног, не лежащих на одной прямой и образующих, таким образом, опорный многоугольник.

По количеству ног шагающие машины можно разделить на машины с небольшим числом ног (двуногие и трёхногие) и многоногие (с четырьмя и более ногами). Это деление оправдано тем, что для многоногих машин возможны принципиально другие подходы к проектированию и управлению, чем для двуногих [15, 185]. Принципиально различны и функциональные возможности этих машин. В свою очередь, многоногие машины можно разделить на четырёхногие, пятиногие, шестиногие и т.д. В теоретических исследованиях часто рассматривается общий случай — с n ногами. Из соображений симметрии подавляющее большинство шагающих аппаратов имеет чётное количество ног — четыре, шесть или восемь. Однако иногда рассматривается движение аппаратов с нечётным количеством ног, особенно для машин, допускающих реконфигурацию их кинематических схем [43, 331, 405].

По конструкции корпуса машины делятся на моноблочные и составные. Большинство шагающих машин имеет моноблочный корпус, но известны и аппараты, имеющие корпус из нескольких твёрдых тел (рисунки 1.10, 1.27, 1.28), соединённых управляемыми или неуправляемыми связями [30, 189, 332].

36

По конструкции шагающих движителей машины классифицируются в зависимости от типа механизмов шагания и в зависимости от типа стопы. Следует оговориться, что эта классификация включает в себя только «базовые» механизмы шагания. Хотя большинство разработанных шагащих аппаратов укладывается в эту классификацию, некоторые лабораторные модели могут использовать «упрощённые» механизмы, получающиеся из «базовых» путём исключения одной из степеней свободы. С другой стороны, движители наиболее совершенных образцов шагающей техники содержат большее количество степеней свободы и звеньев.

Рисунок 1.27 — Робот IOAN с «ломающимся» корпусом. Свободный Университет Брюсселя. Бельгия

Рисунок 1.27 — Лазающий робот с составным корпусом. Корея

Под стопой понимается звено или несколько звеньев механизма шагания, специально предназначенных для контакта с опорной поверхностью. Неуправляемая стопа представляет собой стопу, присоединённую к основной части механизма шагания шарниром того или иного вида без какого-либо

37

активного управления по степеням свободы этого шарнира. Управляемой стопой считается стопа, движение которой относительно основной части движителя управляется одним или несколькими двигателями. Однако, граница между управляемой стопой и движителем без стопы является условной, ведь при отсутствии стопы её функция контактировать с опорной поверхностью перекладывается на крайнее звено механизма шагания, которое в таком случае и может считаться управляемой стопой. Поэтому выделять отдельное звено механизма как управляемую стопу или считать, что шагающий движитель стопы не имеет, в каждом конкретном случае должен решать исследователь, ориентируясь, главным образом, на удобство терминологии.

Инсектоморфные механизмы шагания состоят из трёх твёрдых тел, соединённых друг с другом и с корпусом машины с помощью цилиндрических шарниров таким образом, что первое звено (и вместе с ним весь механизм) вращается относительно корпуса вокруг вертикальной оси, оси вращения второго звена относительно первого и третьего относительно второго расположены горизонтально и параллельно друг другу (рисунок 1.29). Обычно на шагающих аппаратах используют шесть или восемь безстопных ног такого типа. Локомоции таких аппаратов напоминают движения представителей биологических классов насекомых и пауков.

Рисунок 1.29 — Инсектоморфный механизм шагания

Так же как и в животном мире насекомые и пауки являются наиболее многочисленными по видовому составу, шагающие машины с инсектоморфными движителями лидируют по количеству разработок. Далее представлены лишь некоторые примеры машин такого типа.

38

В начале 70-х годов одни из первых образцов шагающих роботов с инсектоморфными движителями были созданы в Советском Союзе в Институте механики МГУ под руководством профессора Е. А. Девянина (рисунок 1.30) и в Институте прикладной математики Академии Наук СССР под руководством академика, в то время члена-корреспондента, Д. Е. Охоцимского (рисунок 1.31) [202].

Рисунок 1.30 — Робот МАША, Институт Механики МГУ. Первая (1975 г.) и современная версии.

Робот МАША (МАшина ШАгающая) Института механики МГУ создавался совместно с Институтом проблем передачи информации АН СССР. На первом этапе система управления была реализована на универсальных аналоговых вычислительных машинах. Система управления включала в себя триангуляционный дальномер, датчики измерения сил реакций опорной поверхности, датчик гировертикали. Длина аппарата 0,7 м, масса 18 кг. В автоматическом режиме аппарат способен обходить и преодолевать препятствия, в том числе препятствия типа «лестница» [93, 94, 95, 100]. Разработаны и экспериментально исследованы вопросы управления движением аппарата по деформируемому грунту [294]. Работы продолжаются и в настоящее время.

Несколько моделей шагающих машин были разработаны в Институте прикладной математики АН СССР совместно с рядом других научных