Особый раздел робототехники составляют шагающие системы передвижения и основанные на них транспортные машины. Они являются предметом робототехники потому, что механические ноги - педипуляторы (от латинского слова pes, pedis - нога) - наиболее близки другому основному объекту робототехники - манипуляторы. Однако значение и потенциальные области применения шагающих систем машин выходят за пределы робототехники. Способ передвижения с помощью ног (шагание, бег, прыгание), как известно, является наиболее распространенными в живой природе. Однако в технике он ещё не получил заметного применения прежде всего из-за сложности управления.

Развитие робототехники создало необходимую научно-техническую основу для реализации этого принципиально нового для техники способа передвижения и для создания нового типа транспортных машин - шагающих.

Шагающий способ представляет основной интерес для движения по заранее неподготовленной местности с препятствиями. Традиционные колесные и гусеничные транспортные машины оставляют за собой непрерывную колею, тратя на это значительно большую энергию, чем в случае передвижения шагами, когда взаимодействие с грунтом происходит только в местах упора стопы. Помимо этого шагающий способ передвижения обладает и большей проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, преодолевать препятствия и т.п. При шагающем способе меньше разрушается грунт, что, например, важно в тундре. При движении по достаточно гладким и подготовленным поверхностям этот способ уступает колесному в экономичности, скорости передвижения и простоте управления.

В задачу системы управления шагающей машины входят:

r стабилизация в процессе движения положения корпуса машины в пространстве на определенной высоте от грунта независимо от рельефа местности;

r обеспечение движения по определенному маршруту с обходом препятствий;

r связанное управление ногами, реализующее определенную походку с адаптацией к рельефу местности.

Поскольку основное назначение шагающих машин - передвижение по сильно пересеченной местности, управление ими обязательно должно быть адаптивным. В системе управления при этом выделяют обычно следующие 3 уровня управления:

r первый, нижний, уровень - управление приводами степеней подвижности ног;

r второй уровень - построение походки, т.е. координации движений ног, со стабилизацией при этом положения корпуса машины в пространстве;

r третий уровень - формирование типа походки, направления и скорости движения, исходя из заданного маршрута в целом.

Первый и второй уровни реализуются автоматически, а третий уровень осуществляется с участием человека-оператора («водителя»).

Устойчивость.

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.

Взаимодействие ног в процессе ходьбы.

Работу ног при движении шагающего аппарата будем называть процессом ходьбы. В процессе ходьбы каждая нога может находиться в одном из двух принципиально различных состояний:

r опорное положение - в это время нога касается поверхности и служит опорной для корпуса аппарата;

r свободное положение - в это время нога находится над поверхностью и “готовится” к выполнению опорных функций на следующем шаге.

В процессе ходьбы ноги шагающего аппарата попеременно занимают то опорное, то свободное положения, причем в течение одного цикла каждая нога занимает то и другое положение один раз. Последовательность чередований ног за один период называется циклом ходьбы, а расстояние, которое проходит аппарат за один цикл, - шагом.

Среди механических ног с двумя степенями подвижности наиболее широкое применение получили конструкции следующих двух типов:

r нога состоит из двух звеньев, и каждое из них имеет одну вращательную степень подвижности;

r нога образована одной телескопической парой, которая помимо удлинения-сокращения имеет еще одну степень подвижности - вращение в точке подвеса.

Помимо таких конструкций было предложено несколько кинематических механизмов, в которых шаговое движение выполнялось путем прямолинейных перемещений.

При рассуждении о том, каким минимальным числом степеней подвижности должна обладать каждая нога шагающего аппарата, неявно предполагалось, что корпус робота перемещается строго прямолинейно. Как оказалось, справедливо и обратное утверждение, т.е. если каждая нога робота располагает только двумя степенями подвижности, а его корпус не имеет специального механизма для изменения ориентации в пространстве, то такой робот может двигаться только в прямолинейном направлении. Для изменения направления робота только за счет работы ног необходимо, чтобы каждая его нога обладала, по крайней мере, тремя степенями подвижности.

Шестиногие шагающие роботы.

Шестиногие шагающие роботы, по-видимому, являются самой многочисленной из всех когда-либо и где-либо разработанных категорий механизмов, способных перемещаться с помощью искусственных ног. Популярность этих роботов в значительной степени обусловлена тем, что проблемы обеспечения статической устойчивости движущихся шестиногих аппаратов решаются относительно просто по сравнению с другими конструкциями.

Одной из проблем, которой уделяется существенное внимание при проектировании мобильных шагающих аппаратов, является уменьшение необходимой мощности источников питания и сокращение затрат энергии. Другими словами, необходимо повысить к.п.д. многоногих механизмов, т.е. уменьшить потребляемую мощность и повысить развиваемую мощность. В самом деле, если учесть, что в общем случае каждая из n конечностей имеет две-три степени подвижности и управление каждой из степеней сопряжено с определенными затратами энергии, то очевидно, что сравнение шагающих и колесных транспортных средств по к.п.д. будет далеко не в пользу первых. В связи с этим, по-видимому, главная цель, к достижению которой должны стремиться исследователи сегодня, заключается в создании экспериментальных шагающих аппаратов, способных на практике продемонстрировать сочетание высоких функциональных возможностей с достаточно большой развиваемой мощностью при малых затратах энергии.

Была разработана система управления ходьбой шестиногого робота, каждая из конечностей которого приводится в движение с помощью трех электромоторов (всего 18 электромоторов). Наличие диодных мостов и триаков в системе управления позволяет задать произвольный сдвиг фаз в работе двигателей и, таким образом, обеспечить реализацию походки любого типа. Очевидно, управление перемещением шагающего аппарата должно быть организовано так, чтобы при ходьбе ни одна из конечностей не создавала помех для другой. Естественно, самое простое решение проблемы предотвращения столкновений движущихся конечностей - принципиальное устранение самой возможности столкновений путем выбора границ зон достижимости каждой из ног таким образом, чтобы соседние зоны не имели перекрытий.

Под руководством советского ученого Д.Е. Охоцимского был выполнен цикл работ по исследованию шестиногого педипулятора, способного ориентироваться на местности с помощью однонаправленного сканирующего датчика для измерений расстояний. Последний по своим функциям подобен усикам насекомого.

Потребности в мобильных роботах специального назначения, например в роботах для обслуживания ядерных реакторов или для тушения пожаров и выполнения спасательных работ на пожарах, будут стремительно возрастать. Следует добавить, что, по всей вероятности, эти потребности будут удовлетворяться, прежде всего, за счет шагающих аппаратов с шестью конечностями. Очевидно, что в соответствии с условиями применения этих роботов первым в списке из важнейших функциональных возможностей должно быть указано умение достаточно быстро спускаться и подниматься по лестнице с различными размерами и частотой ступенек. Поэтому есть основания предполагать, что в ближайшем будущем исследования шестиногих шагающих аппаратов, способных ходить лестницам, будут развиваться наиболее быстрыми темпами.

Шагающий робот с четырьмя конечностями.

Все четвероногие животные при движении сохраняют равновесие почти исключительно за счет динамической устойчивости. Однако в случае искусственных шагающих аппаратов походка может быть определена таким образом, чтобы центр тяжести аппарата постоянно находился внутри треугольника, вершинами которого являются конечности, находящиеся на данный момент времени в опорном положении. Был разработан шагающий аппарат с четырьмя конечностями, у которых скорость движения в фазе восстановления подобрана так, что длительность этой фазы втрое меньше длительности каждой рабочей фазы. В результате в данный момент времени лишь одна нога робота находится в воздухе, а корпус опирается на три остальные, сохраняя тем самым статическую устойчивость.

“Двуногие” шагающие роботы.

Главное отличие человека от всех других живых существ заключается в качественно более высоком уровне развития центральной нервной системы, в особенности, головного мозга. Это отличие проявляется не только в способности к сложной интеллектуальной деятельности, но и в ряде чисто физических возможностей, свойственных человеку, но не доступных животным. Пожалуй, самой замечательной из таких возможностей является прямохождение, т.е. присущее человеку умение свободно передвигаться на двух ногах. Неудивительно поэтому, что рукотворные человекоподобные существа, пришедшие к нам из легенд и преданий, а также населяющие страницы современных фантастических романов, независимо от роли, которая им отводится, обязательно передвигаются на двух ногах. Идея прямохождения с давних пор будоражит воображение механиков и конструкторов.

Принцип прямохождения.

Изучение принципа прямохождения заключается в выявлении основных механизмов человеческого организма, с помощью которых реализуется возможность устойчивой ходьбы на двух ногах. Опыты показывают, что реализация двуногой ходьбы связана с решением двух наиболее характерных задач. Во-первых, необходимо, чтобы в процессе ходьбы шагающий аппарат, не падая, мог в течение какого-то времени опираться на одну ногу. Очевидно, чтобы выдержать нагрузки, возникающие в положении, когда вся масса аппарата приходится на одну ногу, конструкция ноги в целом должна обладать достаточно большой механической прочностью, а приводы - развивать необходимую мощность. Во-вторых, алгоритмы управления стопой, коленным и бедренным суставами, а также углом наклона корпуса, которые обеспечивают то сохранение равновесия всей опирающейся на одну ногу конструкции, то энергичное выполнение шага, оказываются чрезвычайно сложными.

5. Другие способы передвижения

Наряду с освоением способа передвижения шаганием ведутся научно-исследовательские работы по техническому освоению другого способа наземного передвижения - ползанья. Как и шагание, этот способ обладает уникальной универсальностью и проходимостью, включая возможность передвижения в воде и под землей. Трудности освоения этого способа передвижения аналогичны шаганию и вообще всем способам передвижения живых организмов и заключаются в сложности кинематики и алгоритмов управления.

Водные системы передвижения роботов основаны на традиционных средствах водного транспорта. Новым направлением в создании систем передвижения роботов в воде является техническое освоение способов плаванья живых организмов с помощью плавников и путем волнообразного движения всего тела. К достоинствам таких средств плаванья относятся их экологическая чистота, бесшумность и способность осуществлять позиционирование в заданной точке в условиях различных возмущающих действий со стороны внешней среды (течение, волнение и т.п.).

Воздушные системы передвижения, как и водные, развиваются по двум направлениям: во-первых, используются давно освоенные в авиации способы полета, а, во-вторых, ведутся исследования по освоению машущих способов полета, известных в живой природе. мобильный робот передвижение

Космические системы передвижения разделяются на систему для свободно летающих роботов, для роботов, обслуживающих космические аппараты (снаружи и внутри), и для напланетных роботов.

Заключение