Maloletov-diss

42

Рисунок 1.38 — Средние шагающие роботы Silo 4 и Silo 6.

Рисунок 1.39 — Робот MANTIS. Великобритания

Зооморфные механизмы шагания аналогично инсектоморфным механизмам состоят из трёх твёрдых тел, соединённых друг с другом и с корпусом машины с помощью цилиндрических шарниров, и отличается от последних тем, что ось вращения первого звена расположена горизонтально и перпендикулярно осям остальных двух шарниров (рисунок 1.41). Движения таких механизмов подобны движениям животных биологического класса тетрапод. Чаще всего на шагающих аппаратах используют четыре ноги такого типа, хотя иногда применяется и шесть ног. Почти всегда ноги снабжаются неуправляемыми стопами.

43

Рисунок 1.40 — Гексаподы для лабораторных исследований

Рисунок 1.41 — Зооморфный механизм шагания

Одной из первых шагающих машин с зооморфными движителями является разработанная в 1969 году в США фирмой «General Electric» четырёхногая машина высотой 3,5 м, весом 1350 кг и грузоподъемностью 300 кг (рисунок 1.42). Эта машина работала в копирующем режиме, для чего в системе управления были использованы двусторонние силовые обратные связи, благодаря которой оператор чувствовал усилие, развиваемое ногой машины. Испытания показали трудности обучения операторов. Кроме того, оператор при управлении движением машины испытывал большую мышечную и нервную нагрузку, сохраняя

44

работоспособность всего в течение нескольких минут [384, 403, 422]. Основным итогом этой работы была демонстрация необходимости автоматической системы управления, обеспечивающей координацию движения ног и устойчивость машины.

Рисунок 1.42 — Шагающая машина General Electric, США, 1969 г.

На водителя шагающей машины, так же как и на водителя традиционного транспортного средства, следует возлагать только самый верхний уровень управления — управление движением машины в целом, а не приводов каждой ноги. Управление должно происходить аналогично действиям всадника, который задает лошади направление и скорость движения, а лошадь сама обеспечивает координацию движения ног и адаптацию к неровностям опорной поверхности [100].

Один из первых макетов шагающих аппаратов, управляемых с использованием вычислительной техники, был реализованы в Университете Южной Калифорнии (США) и назывался «Фонни пони» или «Калифорнийская лошадь» (рисунок 1.43) [424]. В нём использовался упрощённый вариант

46

Рисунок 1.45 — Робот BISAM. Университет Карлсруэ. Германия

Зооморфные движители нашли своё применение в ряде военных разработок. Так, в Университете штата Огайо (США) при финансировании агентства по перспективным научно-исследовательским разработкам (DARPA) Министерства обороны США разработана автономная шестиногая шагающая машина Adaptive Suspension Vehicle (ASV) для передвижения по пересеченной местности (рисунок 1.46). Руководитель разработок профессор K. J. Waldron. Масса машины 2700 кг, грузоподъемность 90 кг, длина корпуса 5,2 м. Скорость движения 8 км/час. Каждая нога имеет по три степени подвижности относительно корпуса с индивидуальными следящими гидроприводами. Источником энергии является двигатель мощностью 50 кВт. Машина имеет систему технического зрения на базе сканирующего дальномера. Система управления реализована на 15 микро-ЭВМ. Пять из них обеспечивают обработку измерений и управление системой технического зрения, остальные 10 — обеспечивают управление движением аппарата [429, 431, 432]. Работы продолжались с 1984 по 1991 годы.

В лаборатории Boston Dynamics в США в период с 2005 года по настоящее время разрабатываются роботы, имитирующие движение собаки (рисунки 1.19, 1.47, 1.48), предназначенные для использования в военных целях в качестве средств поддержки пехоты.

48

Антропоморфные механизмы шагания являются частным случаем зооморфных механизмов. Однако их разрабатывают с целью имитации движения ноги человека, и, как правило, делают гораздо более сложными, чем простейшая зооморфная нога из трёх звеньев. В первую очередь отличия касаются стопы, которая почти всегда делается управляемой, а также добавляется возможность поворота вокруг вертикальной оси в «тазобедренном шарнире». Антропоморфные механизмы используют преимущественно для разработки двуногих роботов (рисунок 1.49).

Рисунок 1.49 — Антропоморфный шагающий робот «ASIMO» (Япония).

Телескопическим механизмом шагания называют механизм, состоящий из двух звеньев, связанных поступательной парой, которые имеют возможность вращаться относительно корпуса (рисунок 1.50). Существенными недостатками таких движителей являются необходимость поступательной пары воспринимать изгибающую нагрузку и сложность организации пространственного движения. Из-за этих недостатков телескопические механизмы шагания почти не использовались на практике. Тем не менее можно отметить одну из пионерских работ, выполненную ещё в 60-х годах прошлого века в Римском институте

50

По-видимому, первой в мире шагающей машиной с ортогональным движителем была машина, созданная в начале 70-х годов прошлого века в Институте машиноведения Академии Наук под руководством академика И. И. Артоболевского, профессоров А. П. Бессонова и Н. В. Умнова (рисунок 1.52).

Рисунок 1.52 — Шагающая машина ИМАШ РАН. Политехнический музей

Основным достоинством ортогонального механизма шагания является независимость вертикального и горизонтального перемещений, что позволяет и упростить систему управления, и обеспечить движение без энергозатрат на поддержание веса аппарата. Плоский ортогональный механизм имеет две степени свободы и без дополнительных устройств позволяет реализовать только прямолинейное движение. Пространственный ортогональный механизм шагания имеет очень большие габариты и конструктивную сложность. Поэтому для организации пространственного движения чаще используют комбинацию плоского ортогонального механизма и поворотной пары.

Такую конструкцию имеет шагающая машина Ambler (рисунок 1.53), разработанная в 1988–1992 годах в США по заказу NASA усилиями группы по изучению планетоходов и института компьютерных наук (Planetary Rover Group,