Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Передвижение роботов - это собирательное название различных методов, которые роботы используют для перемещения с места на место.

Колесные роботы обычно достаточно энергоэффективны и просты в управлении. Однако другие формы передвижения могут быть более подходящими по ряду причин, например, пересечение пересеченной местности, а также перемещение и взаимодействие в среде людей. Кроме того, изучение двуногих и похожих на насекомых роботов может положительно повлиять на биомеханику.

Основная цель в этой области - развитие у роботов возможностей автономно решать, как, когда и куда двигаться. Однако координировать многочисленные роботизированные суставы даже для простых задач, таких как переход по лестнице, сложно. Автономное передвижение роботов - серьезное технологическое препятствие для многих областей робототехники, таких как гуманоиды (например, Asimo от Honda ).

Типы передвижения [ править ]

Ходьба [ править ]

Кланн связь
Ходьба с рычажным механизмом Klann

Шагающие роботы имитируют походку человека или животного вместо движения на колесах. Движение ногами позволяет преодолевать неровные поверхности, ступени и другие участки, до которых колесному роботу трудно добраться, а также наносит меньший ущерб окружающей местности, чем колесные роботы, которые разрушают его. [1]

Роботы-гексаподы основаны на передвижении насекомых, чаще всего тараканов [2] и палочников , чья неврологическая и сенсорная продукция менее сложна, чем у других животных. Несколько ног позволяют использовать разные походки, даже если нога повреждена, что делает их движения более полезными для роботов, транспортирующих объекты.

Примеры продвинутых бегущих роботов включают ASIMO , BigDog , HUBO 2 , RunBot и Toyota Partner Robot .

Роллинг [ править ]

С точки зрения энергоэффективности на плоских поверхностях колесные роботы являются наиболее эффективными. Это потому, что идеальное катящееся (но не проскальзывающее) колесо не теряет энергии. Колесо, катящееся с заданной скоростью, не требует дополнительных усилий для поддержания своего движения. В этом отличие от роботов на ногах, которые при ударе пяткой страдают от удара о землю и в результате теряют энергию.

Сегвей в музее роботов в Нагое .

Для простоты большинство мобильных роботов имеют четыре колеса или несколько непрерывных гусениц . Некоторые исследователи пытались создать более сложных колесных роботов с одним или двумя колесами. Они могут иметь определенные преимущества, такие как более высокая эффективность и меньшее количество деталей, а также позволяющие роботу перемещаться в ограниченном пространстве, что было бы недоступно для четырехколесного робота.

Примеры: Boe-Bot , Cosmobot , Elmer , Elsie , Enon , HERO , IRobot Create , iRobot 's Roomba, Johns Hopkins Beast , Land Walker , Modulus robot , Musa , Omnibot , PaPeRo , Phobot , робот Pocketdelta , Push the Talking Trash Can , RB5X , Rovio , Серопи , Робот Шейки , Sony Rolly , Spykee , TiLR , Topo , TR Araña и Wakamaru .

Прыжки [ править ]

Несколько роботов, построенных в 1980-х Марком Райбертом в лаборатории ног Массачусетского технологического института, успешно продемонстрировали очень динамичную ходьбу. Изначально робот с одной ногой и очень маленькой ступней мог оставаться в вертикальном положении, просто подпрыгивая . Движение такое же, как у человека на пого-палке . Когда робот падает в сторону, он слегка подпрыгивает в этом направлении, чтобы поймать себя. [3] Вскоре алгоритм был обобщен на два и четыре этапа. Был продемонстрирован двуногий робот, который бегает и даже выполняет сальто . [4] Было также продемонстрировано четвероногое животное, которое могло бегать , бегать, темп., и связаны. [5]

Примеры:

  • Детеныш гепарда из Массачусетского технологического института - это четвероногий робот с электроприводом и пассивными податливыми ногами, способный к самостабилизации в большом диапазоне скоростей. [6]
  • Tekken II - это небольшое четвероногое животное, разработанное для адаптивной ходьбы по неровной местности. [7]

Метахрональное движение [ править ]

Скоординированное последовательное механическое действие, имеющее вид бегущей волны, называется метахрональным ритмом или волной и используется в природе инфузориями для транспорта, а также червями и членистоногими для передвижения.

Скольжение [ править ]

Было успешно разработано несколько роботов- змей . Имитируя движение настоящих змей, эти роботы могут перемещаться в очень ограниченном пространстве, а это означает, что однажды их можно будет использовать для поиска людей, оказавшихся в ловушке в разрушенных зданиях. [8] Японский робот-змея ACM-R5 [9] может даже перемещаться как на суше, так и в воде. [10]

Примеры: змея-рука робота , Roboboa и Snakebot .

Плавание [ править ]

  • См. Автономные подводные аппараты

Brachiating [ править ]

См. Также: Брахиация

Брахиация позволяет роботам перемещаться, раскачиваясь, используя энергию только для захвата и освобождения поверхностей. [11] Это движение похоже на то, как обезьяна перескакивает с дерева на дерево. Эти два типа брахиации можно сравнить с двуногой ходьбой (непрерывный контакт) или бегом (рихохеталь). Непрерывный контакт - это когда рука / захватывающий механизм всегда прикреплен к пересекаемой поверхности; richochetal использует фазу воздушного «полета» от одной поверхности / конечности к другой.

Гибрид [ править ]

Роботы также могут быть спроектированы для передвижения в нескольких режимах. Например, Bipedal Snake Robo [12] может скользить как змея и ходить как двуногий робот.

Биологически вдохновленное движение [ править ]

Желание создать роботов с динамическими локомотивными способностями побудило ученых искать решения в природе. Было изобретено несколько роботов, способных к базовому перемещению в одном режиме, но было обнаружено, что у них отсутствуют некоторые возможности, что ограничивает их функции и приложения. Высокоинтеллектуальные роботы необходимы в нескольких областях, таких как поисково-спасательные миссии, поля сражений и исследование ландшафта. Таким образом, роботы такого типа должны быть небольшими, легкими, быстрыми и обладать способностью перемещаться в нескольких режимах локомотива. Оказывается, несколько животных послужили вдохновением для создания нескольких роботов. Некоторые из таких животных:

Птериомини (белка-летяга)

Иллюстративное изображение белки-летяги (Pteromyini)

Pteryomini демонстрирует большую подвижность на суше, используя свою четвероногую ходьбу с ногами с высокой глубиной резкости. В воздухе Pteryomini скользит, используя подъемную силу перепонки между ног. Он обладает очень гибкой мембраной, которая позволяет свободно перемещать ноги. [13] Он использует свою высокоэластичную мембрану для скольжения в воздухе и демонстрирует гибкое движение по земле. Кроме того, Pteryomini может демонстрировать мультимодальное движение благодаря мембране, которая соединяет передние и задние ноги, что также увеличивает его способность скольжения. [13] Было доказано, что гибкая мембрана обладает более высоким коэффициентом подъемной силы, чем жесткие пластины, и замедляет угол атаки, при котором происходит срыв. [13]У белки-летяги также есть толстые пучки на краях мембраны, кончиках крыльев и хвосте, что помогает минимизировать колебания и ненужные потери энергии. [13]

Изображение, показывающее расположение уропатагиума

Pteromyini может повысить свою способность к скольжению благодаря многочисленным физическим характеристикам, которыми он обладает.

Гибкая мышечная структура служит нескольким целям. Во-первых, Plagiopatagium, который служит основным генератором подъемной силы для белки-летяги, способен эффективно функционировать благодаря своим тонким и гибким мышцам. [14] [15] Plagiopatagium способен контролировать натяжение мембраны из-за сжатия и расширения. Контроль натяжения может в конечном итоге помочь в экономии энергии за счет минимального колебания мембраны. После приземления Pteromyini сокращает свою мембрану, чтобы гарантировать, что мембрана не провисает при ходьбе [15]

Пропатагиум и уропатагиум служат для дополнительной подъемной силы Pteromyini. [15] В то время как пропатагиум расположен между головой и передними конечностями белки-летяги, уропатагиум расположен на хвосте и задних конечностях, и они служат для того, чтобы обеспечить белке-летягу повышенную маневренность и сопротивление при приземлении. [15]

Кроме того, у белки-летяги есть толстые веревочные мышечные структуры по краям мембраны, чтобы поддерживать форму мембраны [15] s. Эти мышечные структуры, называемые platysma, tibiocarpalis и semitendinosus, расположены на пропатагиуме, плагиопатагиуме и уропатагиуме соответственно. [15] Эти толстые мышечные структуры служат для защиты от ненужного трепета из-за сильного давления ветра во время планирования, что сводит к минимуму потери энергии. [15]

Законцовки крыльев расположены на запястьях передних конечностей и служат для образования аэродинамического профиля, который сводит к минимуму эффект индуцированного сопротивления из-за образования вихрей на концах крыла. [14] Законцовки крыльев ослабляют влияние вихрей и препятствуют индуцированному сопротивлению от воздействия на все крыло. Pteryomini может раскладывать и складывать кончики крыльев при скольжении с помощью больших пальцев. Это служит для предотвращения нежелательного провисания законцовок крыла. [14]

Хвост летяги позволяет улучшить способность к планированию, поскольку он играет важную роль. В отличие от других позвоночных, у Pteromyini хвост уплощен, чтобы получить большую аэродинамическую поверхность при скольжении. [16] [17] Это также позволяет белке-летягу поддерживать стабильность угла тангажа своего хвоста. Это особенно полезно во время посадки, поскольку Pteromyini может увеличивать угол тангажа и увеличивать сопротивление, чтобы замедлить скорость и безопасно приземлиться [15].

Кроме того, ноги и хвост Pteromyini служат для управления направлением его скольжения. Благодаря гибкости мембран вокруг ног регулируется угол хорды и двугранный угол между мембраной и коронковой плоскостью тела. [13] Это позволяет животному создавать моменты крена, качки и рыскания, которые, в свою очередь, контролируют скорость и направление планирования. [18] [19] Во время приземления животное может быстро снизить скорость за счет увеличения сопротивления и изменения угла наклона с помощью мембран, а также дальнейшего увеличения сопротивления воздуха за счет ослабления натяжения между мембранами своих ног [18] [19]

Desmodus Rotundus (Летучая мышь-вампир)

Изображение, показывающее Desmodus Rotundus (летучая мышь-вампир)

Обычные летучие мыши-вампиры, как известно, обладают мощными способами наземного передвижения, такими как прыжки, и воздушными движениями, такими как скольжение. Несколько исследований показали, что морфология летучей мыши позволяет ей легко и эффективно переключаться между двумя режимами движения. [20] Анатомия, которая помогает в этом, по существу построена вокруг самой большой мышцы тела летучей мыши pectorialis profundus (задний отдел). [20] Между двумя способами передвижения есть три общие кости. Эти три основные кости являются неотъемлемыми частями структуры руки, а именно: плечевая, локтевая и лучевая. Поскольку для обоих режимов уже существует совместное использование компонентов, при переходе от прыжка к скольжению не требуются дополнительные мышцы.[20]

Изображение, показывающее Schistocerca gregaria (обитающая в пустыне саранча)

Детальное изучение морфологии плеча летучей мыши показывает, что кости руки немного более крепкие, а локтевая и лучевая кость слиты, чтобы выдерживать тяжелые силы реакции со стороны земли [20]

Schistocerca gregaria (Пустынная саранча)

Саранча в пустыне известна своей способностью прыгать и летать на большие расстояния, а также ползать по суше. [21] Детальное изучение анатомии этого организма может дать некоторые подробности о механизмах передвижения. Задние лапы саранчи развиты для прыжков. Они обладают полулунным отростком, который состоит из большой мышцы-разгибателя большеберцовой кости, малой мышцы-сгибателя большеберцовой кости и утолщенной кутикулы в форме банана. [22] [23] Когда большеберцовая мышца сгибается, механическое преимущество мышц и компонент вертикального толчка при разгибании ноги увеличивается. [24] Эта обитающая в пустыне саранча использует механизм катапульты, в котором энергия сначала накапливается в задних лапах, а затем высвобождается для вытягивания ног. [25]

Для идеального прыжка саранча должна упираться ногами в землю с достаточно сильной силой, чтобы начать быстрый взлет. Сила должна быть достаточной, чтобы достичь быстрого взлета и приличной высоты прыжка. Сила также должна создаваться быстро. Чтобы эффективно перейти из режима прыжка в режим полета, насекомое должно регулировать время открытия крыла, чтобы максимально увеличить расстояние и высоту прыжка. Когда он находится в зените своего прыжка, включается режим полета. [22]

Мультимодальные движения роботов на основе биовдохновения [ править ]

Моделирование мультимодального шагающего и планирующего робота по образцу Птерёмини (белка-летяга)

После открытия необходимой модели для имитации, исследователи стремились разработать робота на ногах, который был способен достигать эффективного движения в воздушной и наземной среде с помощью гибкой мембраны. Таким образом, для достижения этой цели необходимо было принять во внимание следующие конструктивные особенности:

1. Форма и площадь мембраны должны быть выбраны сознательно, чтобы можно было достичь предполагаемых аэродинамических свойств этой мембраны. Кроме того, конструкция мембраны повлияет на конструкцию ножек, поскольку мембрана прикреплена к ножкам. [13]

2. Мембрана должна быть достаточно гибкой, чтобы ноги могли свободно двигаться во время скольжения и ходьбы. Однако степень гибкости необходимо контролировать из-за того, что чрезмерная гибкость может привести к значительной потере энергии, вызванной колебаниями в областях мембраны, где возникает сильное давление. [13]

3. Нога робота должна быть спроектирована так, чтобы обеспечивать соответствующий крутящий момент для ходьбы и скольжения [13]

Чтобы учесть эти факторы, необходимо было уделить пристальное внимание характеристикам Pteryomini. Аэродинамические характеристики робота были смоделированы с помощью динамического моделирования и симуляции. Имитируя толстые мышечные пучки мембраны Pteryomini, конструкторы смогли минимизировать колебания и колебания краев мембраны робота, тем самым уменьшив ненужные потери энергии. [13] Кроме того, величина лобового сопротивления крыла робота была уменьшена за счет использования убирающихся законцовок крыльев, что позволило улучшить возможности планирования. [14] Кроме того, нога робота была разработана с учетом достаточного крутящего момента после имитации анатомии ноги Птериомини с использованием виртуального анализа работы. [13]

В соответствии с конструкцией ноги и мембраны робота, его средний коэффициент скольжения (GR) был определен равным 1,88. Робот функционировал эффективно, ходил по нескольким схемам походки и ползал на ногах с высокой глубиной резкости. [13] Робот также смог безопасно приземлиться. Эти выступления продемонстрировали способность робота к скольжению и ходьбе, а также его мультимодальное передвижение.

Моделирование многомодального прыгающего и планирующего робота по образцу Desmodus Rotundus (летучая мышь-вампир)

В конструкции робота под названием Multi-Mo Bat было предусмотрено четыре основных этапа работы: фаза накопления энергии, фаза прыжка, фаза движения по инерции и фаза планирования. [20]Фаза накопления энергии по существу включает в себя резервирование энергии для энергии прыжка. Эта энергия хранится в основных силовых пружинах. Этот процесс дополнительно создает крутящий момент вокруг плечевого сустава, который, в свою очередь, настраивает ноги для прыжков. Как только накопленная энергия высвобождается, может быть начата фаза скачка. Когда запускается фаза прыжка и робот отрывается от земли, он переходит в фазу наката, которая длится до тех пор, пока не будет достигнута высшая точка и робот не начнет спускаться. По мере того, как робот спускается, сопротивление помогает снизить скорость, с которой он спускается, поскольку крыло изменяет конфигурацию из-за повышенного сопротивления на нижней части аэродинамических поверхностей. [20] На этом этапе робот скользит вниз.

Анатомия руки летучей мыши-вампира играет ключевую роль в конструкции ноги робота. Чтобы минимизировать количество степеней свободы (DoFs), два компонента плеча зеркально отражаются в плоскости xz. [20] Таким образом, создается конструкция с четырьмя стержнями для конструкции ног робота, в результате чего получается только 2 независимых DoF. [20]

Моделирование многомодального прыгающего и летающего робота по образцу Schistocerca gregaria (пустынная саранча)

Разработанный робот приводился в движение одним двигателем постоянного тока, который сочетал в себе прыжки и взмахи руками. [23] Он был спроектирован как включение перевернутого кривошипно-ползункового механизма для конструкции ног, системы собачьей муфты, служащей механизмом для лебедки, и механизма реечной передачи, используемого для системы машущих крыльев. [20] Эта конструкция включала в себя очень эффективный механизм хранения и высвобождения энергии и встроенный механизм взмахов крыльев. [20]

Был разработан робот с чертами, похожими на саранчу. Основной особенностью конструкции робота была система передач, приводимая в действие одним двигателем, которая позволяла роботу совершать прыжки и взмахи руками. Так же, как движение саранчи, движение робота инициируется сгибанием ног в положение максимального накопления энергии, после чего энергия немедленно высвобождается для создания силы, необходимой для полета. [20]

Робот был протестирован на работоспособность, и результаты показали, что робот мог прыгать на высоту примерно 0,9 м, имея вес 23 г и взмахивая крыльями с частотой около 19 Гц. [20] Робот, испытанный без махающих крыльев, показал менее впечатляющие результаты, продемонстрировав снижение прыжковых характеристик примерно на 30% по сравнению с роботом с крыльями. [20] Эти результаты впечатляют, поскольку ожидается обратное, поскольку вес крыльев должен был повлиять на прыжок.

Подходы [ править ]

  • Оптимизация продукта
  • Планирование движения
  • Захват движения может производиться на людях, насекомых и других организмах.
  • Машинное обучение , как правило, с обучением с подкреплением .

Известные исследователи в этой области [ править ]

  • Родни Брукс
  • Марк Райбер
  • Джессика Ходжинс
  • Ред Уиттакер

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ghassaei, Аманда (20 апреля 2011). Дизайн и оптимизация шатунного механизма ноги (PDF) (Диссертация). Помона Колледж. Архивировано 29 октября 2013 года (PDF) . Проверено 18 октября 2018 года .
  2. ^ Sneiderman, Фил (13 февраля 2018). «Изучая передвижение тараканов, ученые учатся создавать более совершенных и мобильных роботов» . Концентратор . Университет Джона Хопкинса . Проверено 18 октября 2018 года .
  3. ^ "3D One-Leg Hopper (1983–1984)" . Лаборатория ног Массачусетского технологического института . Проверено 22 октября 2007 .
  4. ^ «3D Biped (1989–1995)» . Лаборатория ног Массачусетского технологического института.
  5. ^ «Четвероногий (1984–1987)» . Лаборатория ног Массачусетского технологического института.
  6. ^ А. Spröwitz, А. Tuleu, М. Vespignani, М. Ajallooeian, Е. Бадри, AJ Ijspeert (2013). «На пути к динамическому движению рысью: управление дизайном и эксперименты с гепардом - послушным четвероногим роботом» . Международный журнал исследований робототехники . 32 (8): 932–950. DOI : 10.1177 / 0278364913489205 . S2CID 90770 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Х. Кимура, Ю. Фукуока, А. Х. Коэн (2004). «Биологически вдохновленная адаптивная динамическая ходьба четвероногого робота». Труды Международной конференции по моделированию адаптивного поведения : 201–210.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Миллер, Гэвин. «Введение» . snakerobots.com . Проверено 22 октября 2007 .
  9. ^ ACM-R5 Архивировано 11 октября 2011 г. в Wayback Machine
  10. ↑ Плавательный робот-змея (комментарий на японском языке)
  11. ^ "Видео: Brachiating 'Bot размахивает рукой, как обезьяна"
  12. ^ Rohan Thakker, Ajinkya Kamat, Сэчин Bharambe, Shital Chiddarwar и KM Bhurchandi. «ReBiS - реконфигурируемый двуногий робот-змея». В материалах Международной конференции IEEE / RSJ 2014 по интеллектуальным роботам и системам, 2014 г.
  13. ^ Б с д е е г ч я J K Шин, Вон Дон; Пак, Джеджун; Пак, Хэ-Вон (июль 2019 г.). «Разработка и эксперименты био-вдохновленного робота с многорежимным воздушным и наземным перемещением» . Биоинспирация и биомиметика . 14 (5): 056009. DOI : 10,1088 / 1748-3190 / ab2ab7 . ISSN 1748-3190 . PMID 31212268 .  
  14. ^ a b c d Торингтон, Ричард В .; Дэрроу, Каролин; Андерсон, К. Грегори (20 февраля 1998 г.). «Анатомия и аэродинамика кончика крыла у летающих белок» . Журнал маммологии . 79 (1): 245–250. DOI : 10.2307 / 1382860 . ISSN 0022-2372 . JSTOR 1382860 .  
  15. ^ a b c d e f g h Джонсон-Мюррей, Джейн Л. (1977-08-20). «Миология скользящих мембран некоторых грызунов Petauristine (роды: Glaucomys, pteromys, petinomys и Petaurista)» . Журнал маммологии . 58 (3): 374–384. DOI : 10.2307 / 1379336 . ISSN 0022-2372 . JSTOR 1379336 .  
  16. ^ Норберг, Улла М. (1985-09-01). «Эволюция полета позвоночных: аэродинамическая модель перехода от планирования к активному полету». Американский натуралист . 126 (3): 303–327. DOI : 10.1086 / 284419 . ISSN 0003-0147 . 
  17. ^ Паскинс, Кейт Э .; Бойер, Адриан; Мегилл, Уильям М .; Шайбе, Джон С. (15 апреля 2007 г.). «Взлетно-посадочные силы и эволюция управляемого планирования у северных белок-летягов Glaucomys sabrinus» . Журнал экспериментальной биологии . 210 (8): 1413–1423. DOI : 10,1242 / jeb.02747 . ISSN 0022-0949 . PMID 17401124 .  
  18. ^ Б Бишоп, Кристин Л. (2006-02-15). «Взаимосвязь между трехмерной кинематикой и характеристиками планирования у южной белки-летяги, Glaucomys volans» . Журнал экспериментальной биологии . 209 (4): 689–701. DOI : 10,1242 / jeb.02062 . ISSN 0022-0949 . PMID 16449563 .  
  19. ^ a b Епископ, Кристин Л. (2007-08-01). «Создание аэродинамической силы, выполнение и контроль ориентации тела во время планирования на сахарных планерах (Petaurus breviceps)» . Журнал экспериментальной биологии . 210 (15): 2593–2606. DOI : 10,1242 / jeb.002071 . ISSN 0022-0949 . PMID 17644674 .  
  20. ^ a b c d e f g h i j k l m Woodward, Matthew A .; Ситти, Метин (4 сентября 2014 г.). «MultiMo-Bat: биологически вдохновленный интегрированный робот-прыгун-планирующий». Международный журнал исследований робототехники . 33 (12): 1511–1529. DOI : 10.1177 / 0278364914541301 . ISSN 0278-3649 . S2CID 206500583 .  
  21. ^ Риллих, Ян; Стивенсон, Пол А .; Пфлюгер, Ханс-Иоахим (09.05.2013). «Полет и ходьба у саранчовых - холинергическая ко-активация, временное сцепление и его модуляция биогенными аминами» . PLOS ONE . 8 (5): e62899. Bibcode : 2013PLoSO ... 862899R . DOI : 10.1371 / journal.pone.0062899 . ISSN 1932-6203 . PMC 3650027 . PMID 23671643 .   
  22. ^ a b «Как прыгают кузнечики» . www.st-andrews.ac.uk . Проверено 4 ноября 2019 .
  23. ^ а б Чыонг, Нгок Тьен; Фан, Хоанг Ву; Пак, Хун Чхоль (13.03.2019). «Дизайн и демонстрация био-вдохновленного прыгающего робота с машущими крыльями». Биоинспирация и биомиметика . 14 (3): 036010. DOI : 10,1088 / 1748-3190 / aafff5 . ISSN 1748-3190 . PMID 30658344 .  
  24. ^ Берроуз, М. (1995-05-01). «Двигательные паттерны при пинании у саранчи». Журнал сравнительной физиологии А . 176 (3): 289–305. DOI : 10.1007 / BF00219055 . ISSN 1432-1351 . PMID 7707268 . S2CID 21759140 .   
  25. ^ Берроуз, Малькольм; Саттон, Грегори П. (01.10.2012). «Саранча использует смесь резилина и твердой кутикулы в качестве хранилища энергии для прыжков и ударов ногами» . Журнал экспериментальной биологии . 215 (19): 3501–3512. DOI : 10,1242 / jeb.071993 . ISSN 0022-0949 . PMID 22693029 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Движение роботов