Двуногий прямоходящий робот (платформа для обучения)

Кинематика движущейся платформы

Платформа Стюарта — самый популярный выбор среди параллельных роботов-манипуляторов для промышленного использования. Благодаря реализации в 6-ти степенях свободы станков, механизм платформы Стюарта получил широкое распространение. В отличие от традиционных архитектур станков, превосходные механические характеристики механизма, такие как более высокая жесткость, соотношение прочности и веса и более высокая маневренность, послужили вдохновением для такого применения. Попробуем понять кинематика параллельного робота через платформу Стюарта.

Платформа Стюарта состоит из платформы полезной нагрузки и шести линейных приводов или подкосов. Остальные концы подкосов крепятся к фундаменту. А 3o свобода сустава и 2o Соединение со степенью свободы или шарнир со свободой 2-3 степеней свободы соединяет одну из стоек с фундаментом и полом. Платформа имеет шесть степеней свободы с тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы благодаря линейному выдвижению и втягиванию шести приводов.

Параллельный робот: кадры координат; Кредит изображения: ResearchGate

Обратная матрица Якоби и ее производные по времени определяются с использованием выражений в замкнутой форме в кинематическом анализе. С помощью точного моделирования изучается влияние различных вариантов шарнирного соединения на конце стойки на кинематику и динамику механизма.

Для отражения кинематики и динамики твердого тела обычно используются углы Эйлера. Мы будем использовать серию углов Эйлера (φ, θ, ψ) для вычисления направления твердого тела после последующих цепочек вращения:

1. Вращение φ вокруг оси Z подвижной системы координат.
2. Вращение θ вокруг оси x’подвижной системы координат.
3. Вращение ψ вокруг оси z ”подвижной системы координат.

Параллельный робот: углы Эйлера; Кредит изображения: ResearchGate

W — мировая система координат, а P определяется как вектор положения x = (X, Y, Z)T, который прикреплен к движущейся платформе в точке отсчета p_o.

q — обобщенный вектор координат с шестью переменными для определения положения и ориентации платформы Стюарта, заданный как:

Координата суставного пространства определяется как

wR_p — ориентация системы отсчета P относительно W матрицей вращения, wR_p = (р₁,r₂,r₃), где r₁,r₂,r₃ являются единичными векторами 3 × 1 относительно P и W. Система отсчета X’-Y’-Z ‘- это невращательная система координат, которая интерпретируется с твердым телом. Кадр xyz — это система координат тела, которая вращается, а также перемещается относительно твердого тела. Отображение последнего в первой системе координат создается с помощью матрицы вращения 3 × 3, включающей wR_p и φ, θ, ψ.

Где c и s обозначают косинус и синус соответственно.

Угловая скорость выражается как ω = (ω_x, ω_y, ω_z)T и α = (α_x, а_y, а_z)T это угловое ускорение относительно W . Следовательно, после разрешения первой и второй производных по времени от углов Эйлера мы получаем

И,

Двуногие ходящие роботы — Ходящие (шагающие) роботы

В этом разделе говорим о роботах, не просто на двух конечностях, но схожих по принципу ходьбы с человеком. Антропоморфность робота в целом не столь важна. 

 Российские

AnyWalker, Кубанский ГУ и МТИ

Может передвигаться по пересеченной местности на двух опорах, открывать двери, карабкаться по лестницам. Стабилизация за счет создания внутренних моментов силы. С участием специалистов компании Технодинамика. Автор проекта — Игорь Рядчиков. Пока что позиционируется, как образовательная платформа. В дальнейшем может быть использована в разработках персональных роботов. Передвижение выглядит очень медленным.

2017.04.21 Показан на Skolkovo Robotics 2017 

AR-601 (или AR-600E), 2017.01

FEDOR, Андроидная техника (НПО «Андроидная техника»), Москва

Final Experimental Demonstration Object Research — Финальный экспериментальный демонстрационный объект исследований. Разработка антропомофного робота в рамках проекта «Спасатель». Иногда также называется Аватар, поскольку имеет режим телеуправления с помощью «костюма», захватывающего движения оператора и формирующего соответствующий поток управляющих команд для робота. Кроме того, робот имеет элементы автономности — может самостоятельно совершить толчок, прыжок, подниматься после падения.  Автономность ограничена рядом других «сценариев». Процедура самообучения демо-модели не предусмотрена.

 Другие страны

На 2015.11 в разработке, открыт прием заказов в рамках краудфандинговой программы по сбору средств. 

ASIMO, Honda, Япония

Робот андроидного типа, способный ходить и бегать. На 2016.03 замечательный прототип так и не превратился в коммерчески доступное изделие. 

2014.11.09 Видео

Atlas, Boston Dynamics, США

Лучший ходящий робот на 2016.02 в мире 

2016.09.12 Atlas научили балансировать на одной ноге. 

2016.02.24 Новое поколение робота Atlas разработки Google  

Робот Cassie. Источник фото: Oregon State Univercity

Digit, Agility Robotics, США

фото Agility Robotics 

2019.03.20 Двуногая платформа Cassie компании Agility Robotics получила верхнюю часть туловища и руки. И теперь похожа на другого двуногого антропоморфного робота — Atlas от Boston Dynamics.  Digit (Цифра) — первый двуногий робот компании Agility Robotics. Он построен на отработанном ранее двуногом шасси Cassie. Теперь у робота появилась верхняя часть туловища с двумя манипуляторами-руками, имеющими четыре степени свободы. Робот может использовать их для балансирования при ходьбе, для открывания дверей (толкания), а также для того, чтобы поднимать коробки весом до 18 кг. Робот даже способен поймать летящую коробку. Дизайн робота выглядит более современным, нежели, чем у громоздкого Atlas.   

2016.07.13 Почему робот DURUS одет в сникерсы?

HRP-5, AIST, Япония 

Двуногий шагающий робот HRP-5 представлен в октябре 2018 года. Рост — 182 см, вес — 101 кг. Обладает высокой степенью свободы различных элементов тела, позиционируется, как платформа для сотрудничества исследовательских организаций и промышленности.

Kengoro, Tokio University, Япония

Двуногий робот, способный ходить и даже отжиматься от пола. Более 100 электродвигателей и других актуаторов. Основная особенность — робот может «потеть», что позволяет ему бороться с перегревом, связанным с высокой плотностью электромоторов и актуаторов. Для этого роботу требуется пополнять запас воды. 

NAO, Aldebaran Robotics, Франция (Япония)

NAO H25 Next Gen. Домашний антропоморфный робот высотой 58 см. Компаньон, помощник или исследовательская платформа (STEM). С 2012 года. 

R5, NASA/DARPA, США

Робот для использования в космосе, на Луне, на Марсе. С двумя ногами и возможностью хождения. На 2015.11 в разработке. 

SAFFiR, US NAVI, США

Экспериментальный двуногий робот-пожарный андроидного типа SAFFIR (Shipboard Automated Firefighting Robot). В июле 2016 года появилось видео. 

Шагоход Google, Alphabet / Schaft, США

 

2016.04.13 . Больше подробностей о безымянном ходячем роботе японской дочки Alphabet. И о самой компании Schaft. 

2016.04.09 Шагоход Google — странный ходячий робот. Двуногий прототип робота, способного передвигаться вне помещений не только по дорогам. 

2016.04.07 Видео

Будущее уже близко?

Робототехнические компании по всему миру разрабатывают и внедряют усовершенствованные машины, которые обходятся в миллионы долларов. Интерес к разработкам искусственного интеллекта появляется не только у иностранных компаний, но и в России.

Эксперты прогнозируют наступление «Эпохи роботов» уже в ближайшем будущем, к 2060 году. Они утверждают, что произойдет сокращение рабочих мест в пользу автоматизированных машин. А также случится вымирание большинства профессий в ближайшие 20 лет. Искусственный интеллект сможет создавать проекты, водить автомобили, переводить тексты лучше человека. Затраты на его обслуживание будут в разы меньше, чем оплата труда сотрудникам.

Еще 100 лет назад чем-то невообразимым казался первый изобретенный Генри Фордом автомобиль. 20 лет назад для людей экзотикой считались мобильный телефон и интернет. Сегодня эти изобретения прочно вошли в человеческое существование. Внедрение техники случилось раньше, чем предполагали ученые.

Такие же прогнозы делают аналитики в пользу искусственного интеллекта. По их мнению, робототехника прочно войдет в нашу жизнь уже к 2025 году и станет заметной частью нашей жизни. Последние два десятилетия экспоненциально развиваются алгоритмы и мощности компьютеров, приблизительно в два раза каждые два года. При сохранении этого темпа в ближайшие десятилетия роботы смогут дойти до интеллектуального уровня человека. А пока искусственный интеллект демонстрируют на выставках робототехники, показывая редкие образцы.

Последовательные и параллельные роботы | Сходства и различия

Параллельный робот может получить высокую жесткость даже при небольшой массе манипулятора относительно манипулируемого количества заряда. Это дает преимущество параллельным роботам по сравнению с последовательными роботами, потому что последний подвергается нежелательной гибкости или небрежности в одном суставе, что вызывает аналогичную небрежность в руке. Зазор между суставом и рабочим органом может усугубить это, поскольку нет возможности удержать движение одного сустава по сравнению с другим.

Ограниченное рабочее пространство очевидно в случае серийных манипуляторов, подверженных геометрическим и механическим ограничениям конструкции, вызывая столкновения между максимальной и минимальной длинами ног. Таким образом, наличие уникальности ограничивает рабочее пространство. Особенности — это точки, в которых разница в длине ног экспоненциально меньше, чем изменение направления для других траекторий движения.

Для сравнения, в одном месте сила (например, сила тяжести), действующая на рабочий орган, создает бесконечно большие ограничения для ног, что может привести к взрыву манипулятора. Это означает, что рабочие области параллельных манипуляторов обычно искусственно ограничиваются определенной областью, где не известно никаких особенностей.

Нелинейное поведение — еще один недостаток параллельных роботов по сравнению с манипуляторами с последовательной кинематической цепью. Команда, используемая для достижения линейного или кругового перемещения рабочего органа, сильно зависит от положения рабочего пространства и не изменяется линейно во время упражнения.

Сочетание этих характеристик позволяет создавать манипуляторы с широким диапазоном движений. В отличие от серийных манипуляторов, они могут быть быстродействующими, поскольку их жесткость ограничивает скорость их действия, а не грубую силу.

Платформа Стюарта и Робот Дельта — два широко используемых в отрасли параллельных робота.

Параллельный дизайн роботов

Параллельный робот обычно имеет следующие конструктивные особенности:

1. Каждая цепь обычно короткая и прямая, что позволяет ей быть жесткой против ненужных движений. Ошибки в размещении одной цепочки не являются непрерывными, а усредняются с другими.
2. Каждый привод должен иметь возможность перемещаться в пределах своего диапазона движения. Их движение заключено в пределах их индивидуальных степеней свободы.
3. Последствия других цепей ограничивают внеосевую устойчивость шарнира параллельного робота. Конечный параллельный манипулятор является жестким в отличие от его компонентов из-за жесткости замкнутого контура.
4. Статическое представление параллельного робота часто идентично изображению фермы с штифтовым соединением: соединения и приводы воспринимают только напряжение или сжатие, без изгиба или крутящего момента, что сводит к минимуму последствия любой гибкости для внеосевых сил.
5. Тяжелые приводы часто размещаются по центру на единой базовой платформе, а движение руки полностью контролируется стойками и шарнирами. Из-за уменьшения массы вокруг конечности компонент можно сделать тоньше, что приведет к более легким приводам и более плавным движениям. Следовательно, средний момент инерции робота уменьшается из-за централизации массы.

«Платформа-М»: Роботизированный комплекс широких возможностей

Роботизированный комплекс «Платформа-М» / Фото: ИА ОРУЖИЕ РОССИИ, Г. БудлянскийРоботизация войск является одним из важнейших приоритетов в совершенствовании и модернизации российской армии. Создаваемые отечественными разработчиками и производителями роботы и роботизированные комплексы способны решать широкий круг задач.

Снижение потерь личного состава при ведении боевых действий во все времена была одной из главных задач любого командира. Особую актуальность эта проблема приобрела с внедрением в войска и массовым применением автоматического стрелкового оружия. В современных условиях одним из путей ее решения стало оснащение войск роботами и роботизированными комплексами. При комплексном подходе они смогут «взять на себя» решение ряда задач и, тем самым, снизить потери в живой силе.

В уходящем году некоторые СМИ упоминали роботизированный комплекс «Платформа-М» (ОАО «НИТИ «Прогресс»). Одной из первых демонстраций комплекса стал его показ в мае и июне на параде Победы и учениях в Калининграде. Позднее разработчики «Платформы» показали ее на «Дне инноваций Минобороны РФ» в августе текущего года.

«Платформа-М» на учениях в Калининграде / Фото: www.sdelanounas.ru

По данным разработчика, комплекс «Платформа-М» является боевым роботом и предназначен для решения широкого круга задач на поле боя. Среди них ведение разведки, обнаружение и поражение стационарных и подвижных целей, огневая поддержка подразделений, патрулирование и охрана важных объектов.

В зависимости от полезной нагрузки, робот может ставить дымовые завесы, осуществлять дистанционную постановку мин и проделывать проходы в минных полях противника. При необходимости, он может стать «подносчиком патронов» и доставлять в назначенное место различные грузы.

Внешний вид робота на базе Платформа-М / Фото mp3car.ru

Комплекс представляет собой универсальную самоходную гусеничную дистанционно-управляемую платформу с размещенной на ней полезной нагрузкой. При собственной массе не более 800 кг робот способен нести до 300 кг полезной нагрузки. В условиях прямой видимости на дальности до 1500 м «Платформа-М» может передвигаться со скоростью до 12 км/ч, преодолевать препятствия высотой (глубиной) 210 мм и уклон не менее + 25 градусов. Время непрерывного движения бронированного по 3 классу защиты комплекса длиной, шириной и высотой не более 1600, 1200 и 1200 мм достигает не менее 10 часов.

В качестве полезной нагрузки на «Платформе-М» могут размещаться средства поражения (пулеметы, до 4 гранатометов «АГС-30» и ПТРК «Корнет»), комплекс оптико-электронной разведки (РЛС «Фара», тепловизор, дальномер, видеокамеры), спецсредства для обнаружения различных веществ, минный заградитель («КТПН-3»), трал для разминирования и др. средства. При необходимости, комплекс может нести средства аудио пропаганды (громкоговорители).

Боевая полезная нагрузка комплекса «Платформа-М» / Фото: ИА «ОРУЖИЕ РОССИИ», Г. Будлянский

По данным разработчиков «Платформа-М» разрабатывалась по заданию Минобороны в течение 4 лет. В настоящее время комплекс прошел госиспытания и началось его серийное производство. На учениях в Калининградской области боевые роботы использовались для ликвидации условных бандформирований в городских условиях, нанесения ударов по стационарным и подвижным целям. Примечательно, что роботизированный комплекс использовался совместно с беспилотными летательными аппаратами. Это значительно расширяет возможности комплекса и повышает эффективность его практического применения в реальных условиях боевой обстановки.

Роботизированный комплекс «Платформа-М» (слева) Фото: ИА «ОРУЖИЕ РОССИИ», Г. Будлянский

ОАО «НИТИ «Прогресс» является головным институтом по ряду технологических направлений в оборонной промышленности. Институт участвовал в создании, освоении и производстве 186 комплексов вооружения и военной техники. По данным СМИ, на разработку роботизированного комплекса «Платформа-М» было выделено около 380 млн. рублей на срок до конца текущего 2014 г. По информации Олега Мартьянова, руководителя межведомственной рабочей группы «Лаборатория боевой робототехники», серийные поставки боевых роботов в Российскую армию могут начаться с 2020 г.

МОСКВА, ОРУЖИЕ РОССИИ, Григорий Будлянский www.arms-expo.ru 12

Своего рода стабильность

Еще один важный критерий — это тип устойчивости. Это неразрывно связано с количеством лап. Различают следующие типы устойчивости: статически стабильная походка, динамически стабильная походка и квазистатическая стабильная походка.

Статически стабильная походка

Статически стабильная походка — это походка, при которой робот может быть остановлен в любой момент, без потери равновесия. Классическим примером этого типа движений является походка шестиногих роботов.

Динамически стабильная походка

Противоположность этому типу движений — динамически устойчивая походка. В этом случае, только в определенные моменты движения, робот может быть остановлен, в другие, сохраняется стабильность походки за счет динамики движения. Остановка в такой момент приведет к опрокидыванию робота.

Квазистатическая устойчивая походка

Последний тип — квазистатическая устойчивая походка. В этом случае, в отличие от других, устойчивость походки обеспечивается конструкцией ноги. Примером может служить походка двуногих роботов с большими и тяжелыми ступнями, в которой стабильность движения обеспечивает «маятник» — движущаяся нога уравновешивает наклон туловища.

Крутое управление

Управляется своеобразный, но вполне боевой «гаджет» по радиоканалу с помощью стандартного пульта. В комплект поставки не входит.

Однако, подойдет любая «аппа» для автомобиля, квадрокоптера или другой радиоживности. Лишь бы каналов было побольше — управление танком отнимает не меньше 4.

При желании продавец укомплектует шасси любой аппаратурой управления. И, вероятно, это будет разумно: далеко не всякая стоковая умеет работать с дальностью в 300 метров.

А именно такой радиус действия у рассмотренного нами робототанка. Приемник и передатчик в комплекте есть, они обеспечивают.

Количество ног робота

В этом случае крепим любое количество ног. Их минимальное количество может быть равно нулю — в этом случае это будут, например, змееподобные ползучие роботы. Однако, когда мы говорим о педипуляторах (шагающих роботах), мы имеем в виду роботов с определенным количеством лап или ног — одной, двумя, четырьмя, шестью и более.

Одноногий или однолапый робот

В случае с одноногим роботом мы можем говорить только об одном виде походки — прыжках. Это динамический тип движения. Только благодаря большой мощности приводов, очень быстрой системе управления и датчикам, а также сложному алгоритму робот не опрокидывается при движении.

Двуногие роботы

Двуногие или двулапые роботы характеризуются динамически устойчивой походкой. Обычно ходят на согнутых ногах. Биологический образец таких роботов — человек.

Они также могут двигаться квазистабильным статическим движением. В этом случае структура ноги, а именно большая ступня, позволяет распределять баланс силы на большой площади, под которой также находится центр тяжести робота. Кроме того, относительно большая масса одной ноги позволяет балансировать вместе с телом во время движения и обеспечивает противовес туловищу.

Четвероногие роботы

Квадропеды — роботы с четырьмя ногами или лапами. В этом случае биологический образец обычно — млекопитающие или рептилии. Эти роботы могут двигаться как динамически стабильно (галопом), так и статически (перемещая одну ногу за один раз). Шестиногие роботы также могут двигаться как статически, так и динамически.

Таким образом, алгоритм движения является наиболее простым в программировании из всех перечисленных групп, единственная трудность может заключаться в большом количестве степеней свободы.

Многоногие роботы

Также есть группа многоногих роботов с более чем шестью ногами. В таком решении (до тех пор, пока мы должны контролировать каждую ногу отдельно) система управления усложняется. Эти роботы передвигаются статически стабильной походкой. Максимальное количество возможных шагов определяется формулой, приведенной Макги в 1968 году :

Где:

k — количество ног

N — количество возможных видов походки

! — означает факториал

Для молодых адептов робототехники, которые могут не знать эту математическую функцию — мы привели дополнительное пояснение:

! — факториал — это произведение всех чисел от 2 до n.

Пример:

6! = 2 ∙ 3 ​​∙ 4 ∙ 5 ∙ 6 = 720.

Для шестиногого робота результат формулы МакГи:

(2 ∙ 6-1)! = 11! = 39 916 800 возможных шагов.