По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 681.5

Исследование механизмов шагающих роботов с древовидной кинематической структурой на примере робота-кузнечика

Ковальчук А. К. канд. техн. наук, доцент, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Верейкин А. А. канд. техн. наук, доцент, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Каргинов Л. А. аспирант, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Поздняков М. Ю. аспирант, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва

На совместном применении модифицированной системы координат ДенавитаХартенберга и принципа Д’Аламбера сформулирован подход к математическому описанию исполнительных механизмов шагающих роботов с древовидной кинематической структурой. Предложена кинематическая схема робота-кузнечика, получены значения модифицированных параметров Денавита-Хартенберга, представлены матрица и граф достижимости звеньев робота. Разработаны математические модели кинематики и динамики исполнительного механизма. Рассчитаны значения моментов в сочленениях исполнительного механизма робота, соответствующие его начальной пространственной конфигурации. Показана принципиальная возможность применения предложенного подхода для математического описания исполнительного механизма шагающего робота со сколь угодно сложной древовидной кинематической структурой.

Литература:

1. Пупков К. А., Ковальчук А. К., Кулаков Б. Б. Использование биологических прототипов при построении кинематических схем современных шагающих робо тов // Вестник РУДН. Инженерные исследования. — 2009. — № 4. — С. 44–54.

2. Usage of Biological Prototypes for Kinematical Scheme Construction of Modern Robots / K. A. Pupkov, A. K. Kovalchuk, B. B. Kulakov // Preprints of the 13th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing. — 3–5 June 2009. — Р. 1829–1834.

3. Ковальчук А. К., Верейкин А. А. Метод синтеза кинематических структур пространственных древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Национальная ассоциация ученых. — 2015. — № 10 (15). — С. 94–99.

4. Ковальчук А. К., Верейкин А. А. Синтез кинематических структур древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Национальная ассоциация ученых. — 2015. — № 10 (15). — С. 87–93.

5. Ковальчук А. К., Каргинов Л. А., Ахметова Ф. Х., Устюжанин А. Ю., Секерин С. С., Верейкин А. А. Синтез кинематической схемы древовидного исполнительного механизма роботастегозавра с использованием фотографических изображений его биологического прототипа // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2015. — № 05. — С. 82–102. DOI: 10.7463/0515.0766349.

6. Ковальчук А. К., Верейкин А. А., Каргинов Л. А., Шульжицкий А. А., Орельчиков Д. В. Синтез кинематической схемы древовидного исполнительного механизма робота-гиппариона // Актуальные проблемы современной науки. — 2016. — № 2. — С. 275–286.

7. Ковальчук А. К. Специальная система координат для исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Современные тенденции развития науки и технологий. — 2015. — № 6–2. — С. 56–65.

8. Ковальчук А. К. Модифицированная система координат Денавита-Хартенберга для исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2015. — № 11. — С. 12–30. DOI: 10.7463/1115.0826673.

9. Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е., Яроц В. В., Верейкин А. А., Кулаков Б. Б., Каргинов Л. А. Метод проектирования пространственных древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Инженерный вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2014. — № 11. — С. 6–10.

10. Ковальчук А. К., Каргинов Л. А., Кулаков Б. Б., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е., Яроц В. В., Верейкин А. А. Построение кинематических схем исполнительных механизмов шагающих роботов на основе двухмерных изображений скелетов их биологических прототипов: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2016612475 от 29.02.2016.

11. Chestnutt J., Lau M., Cheung G., Kuff ner J., Hodgins J., Kanade T. Footstep Planning for the Honda ASIMO Humanoid // ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation (18–22 April, 2005). — P. 629–634. DOI: 10.1109/ROBOT. 2005.1570188

12. Kuindersma S., Deits R., Fallon M., Valenzuela A., Dai H., Permenter F., Koolen T., Marion P., Tedrake R. Optimization-based Locomotion Planning, Estimation, and Control Design for the Atlas Humanoid Robot // Autonomous Robots, 2015. — 27 P. DOI: 10.1007/s10514-015-9479-3

13. Feng S., Whitman E., Xinjilefu X., Atkeson C. G. Optimization Based Full Body Control for the Atlas Robot // 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids) (18–20 November, 2014, Madrid, Spain). — P. 120–127. DOI: 10.1109/HUMANOIDS. 2014.7041347

14. deWaard M., Inja M., Visser A. Analysis of fl at terrain for the Atlas robot // 3rd Joint Conference of AI & Robotics and 5th RoboCup Iran Open International Symposium (RIOS) (8 April, 2013, Tehran, Iran). — P. 1–6. DOI: 10.1109/RIOS. 2013.6595324

15. Sankai Y. Hal: Hybrid Assistive Limb based on Cybernics. Global COE Cybernics, System and Information Engineering, University of Tsukuba. Режим доступа: http://sanlab.kz.tsukuba. ac. jp/sonota/ISSR_Sankai. pdf (Дата обращения: 08.01.17).

16. Лавровский Э. К., Письменная Е. В., Комаров П. А. Проблемы построения системы управления ходьбой экзоскелетона нижних конечностей с помощью гидроцилиндров // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2015. — № 7. — С. 96–114. DOI: 10.7463/0715.0779441

17. Верейкин А. А., Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е. Анализ и выбор кинематической структуры исполнительного механизма экзоскелета // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2014. — № 7. — С. 72–93. DOI: 10.7463/0714.0717676.

18. Верейкин А. А., Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семёнов С. Е., Каргинов Л. А., Кулаков Б. Б., Яроц В. В. Синтез кинематической схемы исполнительного механизма экзоскелета // Актуальные вопросы науки. — 2014. — № XIII. — С. 68–76.

19. Верейкин А. А., Ковальчук А. К., Каргинов Л. А. Исследование динамики исполнительного механизма экзоскелета нижних конечностей с учетом реакций опорной поверхности // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2014. — № 12. — С. 256–278. DOI: 10.7463/0815.9328000.

20. Верейкин А. А., Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семёнов С. Е., Каргинов Л. А., Кулаков Б. Б., Яроц В. В. Динамика исполнительного механизма экзоскелета // Техника и технология: новые перспективы развития. — 2014. — № XIII. — C. 5–16.

21. Ковальчук А. К., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е. Формирование упрощенной тра ектории движения двуногого шагающего робота // Известия вузов. Машино строение. — 2011. — № 3. — С. 51–58.

22. Ковальчук А. К. Разработка математической модели исполнительного меха низма роботизированного манекена // Научный вестник МГТУ ГА. — 2011. — № 168 (6). — С. 103–109.

23. Ковальчук А. К. Проектирование исполнительного механизма антропоморфного шагающего робота // Естественные и технические науки. — 2014. — № 2 (70). — С. 162–166.

24. BigDog. Режим доступа: http:// www.bostondynamics.com/robot_bigdog.html (Дата обращения: 08.01.17).

25. LS3 — Legged Squad Support Systems. Режим доступа: http://www. bostondynamics.com/robot_ls3.html (Дата обращения: 08.01.17).

26. Cheetah — The Fastest Legged Robot. Режим доступа: http://www. bostondynamics.com/robot_cheetah. html (Дата обращения: 08.01.17).

27. Аустен Я., Формальский А. М., Шевалльро К. Виртуальный четырёхногий робот: конструкция, управление, моделирование, эксперименты // Фундаментальная и прикладная математика. — 2005, Т. 11, № 8. — С. 5–28.

28. Ковальчук А. К. Выбор кинематической структуры и исследование древовид ного исполнительного механизма робота-собаки // Известия вузов. Машиностроение. — 2011. — № 8. — С. 65–73.

29. Хабаров А. С., Семенов С. Е., Ковальчук А. К., Верейкин А. А. Вопросы разработки и исследования четырехногого робота-собаки // Актуальные проблемы современной науки. — 2016. — № 2. — С. 287–298.

30. HECTOR Режим доступа: https://www.cit-ec.de/en/content/ news/first-steps-hector-robot-stickinsect (Дата обращения: 08.01.17).

31. Boston Dynamics: Dedicated to the Science and Art of How Thins Move. RHex. Режим доступа: http://www. bostondynamics.com/robot_rhex.html (Дата обращения: 08.01.17).

32. Robotics Today. Robot SILO 6 description. Режим доступа: http://www. roboticstoday. com/robots/silo-6-description (Дата обращения: 08.01.17).

33. Home — Mantis Robot. Режим доступа: http://www.mantisrobot.com (Дата обращения: 08.01.17).

34. Tedeschi F., Carbone G. Design Issues for Hexapod Walking Robots // Robotics. — 2014. — Vol. 3. — Iss. 2. — P. 181–206. DOI: 10.3390/robotics3020181

35. Saranli U., Buehler M., Koditschek D. E. RHex: A Simple and Highly Mobile Hexapod Robot // The International Journal of Robotics Research. — 2001. — Vol. 20, No. 7. — P. 616–631.

36. Ковальчук А. К., Ромашко А. М., Верейкин А. А., Каргинов Л. А., Малякина Е. А., Статива В. А. Кинематический и динамический анализ исполнительного механизма шестиногого шагающего робота // Современное состояние естественных и технических наук. — 2014. — № XIV. — С. 60–79.

37. Ковальчук А. К., Ромашко А. М., Верейкин А. А., Каргинов Л. А., Малякина Е. А., Статива В. А. Определение моментов в сочленениях шестиногого шагающего робота // Теоретические и прикладные аспекты современной науки. — 2014. — № 3–1. — С. 78–85.

38. Berkeley news. Wall-jumping robot is most vertically agile ever built. Режим доступа: http://news.berkeley. edu/2016/12/06/wall-jumping-robotis-most-vertically-agile-ever-built (Дата обращения: 08.01.17).

39. One legged robots — Robotpark Academy. Режим доступа: http:// www. robotpark. com/academy/alltypes-of-robots/legged-robots/one-legged-robots (Дата обращения: 08.01.17).

40. Batts Z., Kim J., Yamane K. Untethered One-Legged Hopping in 3D Using Linear Elastic Actuator in Parallel (LEAP). Режим доступа: https://s3-uswest-1.amazonaws.com/disneyresearch/ wp-content/uploads/20160928202647/ Untethered-One-Legged-Hopping-in-3D-Using-Linear-Elastic-Actuator-in-Parallel-LEAP-Paper.pdf (Дата обращения: 08.01.17).

41. Hyon S. H., Emura T., Mita T. Dynamics-based control of a one-legged hopping robot // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I: Journal of Systems and Control Engineering. — 2003. — Vol. 217, Iss. 2. — P. 83–98.

42. RoMeLa. STriDER: Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot. Режим доступа: http://www.romela. org/strider-self-excited-tripedal-dynamic-experimental-robot (Дата обращения: 08.01.17).

43. I. Morazzani, D. Lahr, D. Hong, P. Ren Novel Tripedal Mobile Robot and Considerations for Gait planning Strategies Based on Kinematics, Lecture Notes in Control and information Sciences, Springer Berlin / Heidelberg, Vol. 370. — 2008. — P. 35–48.

44. Ковальчук А. К., Семенов С. Е., Каргинов Л. А., Кулаков Д. Б., Верейкин А. А., Яроц В. В. Выбор кинематической структуры и исследование динамики древовидного исполнительного механизма робота-треножника // Инженерный вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. — 2013. — № 10. — С. 1–12.

45. Ковальчук А. К., Семёнов С. Е., Каргинов Л. А., Кулаков Д. Б., Верейкин А. А., Яроц В. В. Синтез кинематической структуры и анализ динамики исполнительного механизма робота-треножника // Техника и технология: новые перспективы развития. — 2013. — № XI. — С. 5–16.

46. Urwin-Write S., Sanders D., Chen S. Terrain Prediction for an Eight-Legged Robot // Journal of Robotic Systems. — 2002. — No. 19 (2). — P. 91–98.

47. Ebneter R., Eicher L. Gait Pattern Optimization for a Spider Robot / Bachelor thesis. Swiss Federal Institute of Technology. Zurich, 2012. 55 P.

48. Брискин Е. С., Чернышев В. В., Жога В. В., Малолетов А. В., Шаронов Н. Г., Фролова Н. Е. Концепция проектирования шагающих машин // Наука — производству. — 2005. — № 1. — C. 33–38.

49. Жога В. В., Скакунов В. Н., Еременко А. В., Кравчук А. А. Аппаратная реализация бортовой системы управления шагающим роботом с ортогональными движителями // Известия ВолгГТУ. — 2013. — № 24 (127). — С. 29–35.

50. Ковальчук А. К., Каргинов Л. А., Кулаков Б. Б., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е., Яроц В. В., Верейкин А. А. Моделирование древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов с учетом внешних наложенных связей: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2014612547 от 28.02.2014.

51. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов / Под ред. Е. П. Попова. — М.: Наука, 1978. — 416 с.

52. Воробьев Е. И. и др. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для вузов / Под ред. К. В. Фролова и Е. И. Воробьева. — М.: Высшая школа, 1988.

53. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. / Под ред. В. Г. Градецкого. — М.: Мир, 1989. — 624 с.

54. Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 528 с.

55. Крутько П. Д. Управление исполнительными системами роботов. — М.: Наука, 1991. — 336 с.

56. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционными роботами. — М.: Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 480 с.

57. Denavit J., Hartenberg R. S. A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices // Journal of Applied Mechanics. — 1955. — Vol. 22. — P. 215–221.

58. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов // Ковальчук А. К., Кулаков Б. Б., Кулаков Д. Б., Семенов С. Е., Яроц В. В. — М.: Изд-во Рудомино, 2010. — 170 с.

Введение. Шагающие роботы (ШР) — перспективное направление развития робототехники. Преимущество ШР над колесными и гусеничными машинами заключается в их повышенной проходимости. Имеют место принципиально более высокие возможности по адаптации к опорной поверхности и профильная проходимость, высокая маневренность, допускающая перемещение робота в произвольном направлении и повороты на месте, возможность работы на слабых грунтах, возможность управления опорными реакциями и стабилизации положения корпуса при движении. Необходимо особо отметить, что ШР при перемещении не оставляют сплошной колеи, что обусловливает меньший вред, наносимый экологии в сравнении с колесными или гусеничными аналогами.

Таким образов, ШР обладают рядом особенностей, которые обеспечивают кардинальное расширение диапазона использования оборудования и позволяют выполнять на сложной местности работы, недоступные для традиционно применяемых колесных и гусеничных машин.

Одним из возможных путей синтеза древовидных кинематических структур (КС) ШР является их заимствование (полное или частичное) у биологических прототипов. Для случаев, когда в качестве биологического прототипа ШР выступает человек или любое другое позвоночное животное, предложен алгоритм восстановления КС биологического прототипа по фотографическим изображениям его скелета [1–6]. Применение этого алгоритма в сочетании с модифицированной системой координат Денавита-Хартенберга (СК Д-Х) [7, 8] дает разработчику возможность в автоматизированном режиме синтезировать различные варианты КС, отличающиеся степенью их приближенности к биологическому прототипу, и выбрать среди них оптимальный [9]. Данный подход к синтезу КС ШР реализован в специально разработанной в среде MATLAB программе [10].

Наиболее распространенными видами ШР являются двуногие (в большинстве своем антропоморфные) [11– 23], четырехногие [24–29] и шестиногие [30–37]. Существуют также одноногие [38–41] и трехногие ШР [42–45], не имеющие биологического прототипа, а также восьминогие [46–49]. Разнообразие ШР по количеству конечностей объясняется тем, что разработчики стремятся синтезировать такую КС, которая бы наилучшим образом удовлетворяла их требованиям (была оптимальна). Так, с увеличением количества конечностей улучшаются характеристики устойчивости робота, упрощается система стабилизации, увеличиваются масса исполнительного механизма (ИМ) и количество приводов, установленных в сочленениях. В качестве примера можно привести, шестиногого робота, передвигающегося статически устойчивой походкой [36, 37], которая предусматривает одновременное перемещение только трех ног (три опорных и три подвижных ноги).

Для Цитирования:
Ковальчук А. К., Верейкин А. А., Каргинов Л. А., Поздняков М. Ю., Исследование механизмов шагающих роботов с древовидной кинематической структурой на примере робота-кузнечика. Конструкторское Бюро. 2017;1.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: