Pohyb robota - Robot locomotion
Robot lokomoce je souhrnný název pro různé metody, které roboti používají k přepravě se z místa na místo.
Kolové roboty jsou obvykle velmi energeticky účinné a snadno se ovládají. Jiné formy lokomoce však mohou být vhodnější z řady důvodů, například procházení nerovným terénem, stejně jako pohyb a interakce v lidském prostředí. Navíc studium bipedálních a hmyzích robotů může mít příznivý dopad na biomechaniku.
Hlavním cílem v této oblasti je vývoj schopností robotů, aby se samostatně rozhodovali, jak, kdy a kam se pohybovat. Koordinace mnoha robotických kloubů i pro jednoduché záležitosti, jako je vyjednávání schodů, je však obtížné. Autonomní robotická lokomoce je hlavní technologickou překážkou v mnoha oblastech robotiky, jako jsou humanoidy (jako například Asimo od Hondy ).
Druhy pohybu
Chůze
- Viz pasivní dynamika
- Viz Nulový momentový bod
- Viz mechanismus nohou
- Viz Hexapod (robotika)
Walking roboti simulují lidskou nebo zvířecí chůzi , jako náhradu za pohyb na kolečkách. Legging motion umožňuje vyjíždět po nerovných površích, schodech a dalších oblastech, na které by se kolový robot těžko dostal, a také způsobuje menší škody na životním prostředí jako kolové roboty, které by ho rozrušovaly.
Hexapod roboti jsou založeni na pohybu hmyzu, nejoblíbenější jsou švábi a klacky , jejichž neurologický a senzorický výstup je méně složitý než u jiných zvířat. Několik nohou umožňuje několik různých chodů, i když je noha poškozená, což činí jejich pohyby užitečnějšími u robotů přepravujících předměty.
Mezi příklady pokročilých běžících robotů patří ASIMO , BigDog , HUBO 2 , RunBot a Toyota Partner Robot .
Válcování
Z hlediska energetické účinnosti na rovných plochách jsou nejefektivnější kolové roboty. Důvodem je, že ideální rolovací (ale neklouzavé) kolo neztrácí žádnou energii. Kolo valící se při dané rychlosti nepotřebuje žádný vstup, aby udrželo svůj pohyb. To je na rozdíl od robotů s nohama, kteří při nárazu na patu trpí nárazem do země a v důsledku toho ztrácejí energii.
Pro jednoduchost má většina mobilních robotů čtyři kola nebo několik souvislých drah . Někteří vědci se pokusili vytvořit složitější kolové roboty pouze s jedním nebo dvěma koly. Ty mohou mít určité výhody, jako je vyšší účinnost a menší počet dílů, a také umožnit robotovi pohyb po omezených místech, kam by čtyřkolový robot nebyl schopen.
Příklady: Boe-Bot , Cosmobot , Elmer , Elsie , Enon , HERO , IRobot Create , iRobot 's Roomba, Johns Hopkins Beast , Land Walker , Modulus robot , Musa , Omnibot , PaPeRo , Phobot , robot Pocketdelta , Push the Talking Trash Can , RB5X , Rovio , Seropi , Shakey robot , Sony Rolly , Spykee , TiLR , Topo , TR Araña a Wakamaru .
Poskakování
Několik robotů, které v osmdesátých letech sestrojil Marc Raibert v laboratoři MIT Leg, úspěšně předvedlo velmi dynamickou chůzi. Zpočátku mohl robot pouze s jednou nohou a velmi malou nohou zůstat ve vzpřímené poloze pouhým poskakováním . Pohyb je stejný jako pohyb člověka na pogo tyči . Jak robot padá na jednu stranu, mírně by vyskočil tímto směrem, aby se zachytil. Algoritmus byl brzy zobecněn na dvě a čtyři nohy. Dvounohý robot byl předveden při běhu a dokonce při provádění kotrmelců . Čtyřnožec bylo rovněž prokázáno, která by mohla klus , běh, rychlost , a spojený.
Příklady:
- Mládě geparda MIT je elektricky poháněný čtyřnásobný robot s pasivně vyhovujícími nohami, který se dokáže sám stabilizovat ve velkém rozsahu rychlostí.
- Tekken II je malý čtyřnožák navržený pro adaptivní chůzi po nepravidelných terénech.
Metachronní pohyb
Koordinované, sekvenční mechanické působení, které má vzhled pohybující se vlny, se nazývá metachronní rytmus nebo vlna a v přírodě jej používají ciliati pro přepravu a červi a členovci pro pohyb.
Klouže
Úspěšně bylo vyvinuto několik hadích robotů. Tyto roboty napodobují způsob pohybu skutečných hadů a mohou se pohybovat ve velmi stísněných prostorech, což znamená, že mohou být jednoho dne použity k hledání lidí uvězněných ve zřícených budovách. Japonský hadí robot ACM-R5 může dokonce navigovat na souši i ve vodě.
Příklady: robot s hadím ramenem , Roboboa a Snakebot .
Plavání
Brachiace
Brachiation umožňuje robotům cestovat švihem, přičemž energii využívá pouze k uchopování a uvolňování povrchů. Tento pohyb je podobný opici houpající se ze stromu na strom. Tyto dva typy brachiace lze přirovnat k bipedálním pohybům chůze (nepřetržitý kontakt) nebo běhu (ricochetal). Nepřetržitý kontakt je, když je k povrchu, přes který se přechází, vždy připevněn ruční/uchopovací mechanismus; ricochetal zaměstnává fázi vzdušného „letu“ z jedné plochy/končetiny na druhou.
Hybridní
Roboty mohou být také navrženy tak, aby prováděly pohyb v několika režimech. Například rekonfigurovatelný dvounohý hadí robot může jak klouzat jako had, tak chodit jako dvounohý robot.
Biologicky inspirovaná lokomoce
Touha vytvářet roboty s dynamickými pohybovými schopnostmi přiměla vědce hledat řešení v přírodě. Bylo vynalezeno několik robotů schopných základní lokomoce v jednom režimu, ale zjistilo se, že postrádají několik schopností, a proto omezují jejich funkce a aplikace. Vysoce inteligentní roboti jsou zapotřebí v několika oblastech, jako jsou pátrací a záchranné mise, bojiště a vyšetřování krajiny. Roboti této povahy tedy musí být malí, lehcí, rychlí a musí mít schopnost pohybovat se ve více lokomotivních režimech. Jak se ukazuje, inspirací pro návrh několika robotů bylo několik zvířat. Některá taková zvířata jsou:
Pteromyini (létající veverky)
Pteromyini ( kmen tvořený létajícími veverkami) vykazují na souši velkou mobilitu díky využití své čtyřnohé chůze s nohama s vysokým stupněm volnosti (DoF). Ve vzduchu létají veverky pomocí zdvihacích sil z membrány mezi nohama. Mají vysoce flexibilní membránu, která umožňuje neomezený pohyb nohou. Pomocí své vysoce elastické membrány klouzají ve vzduchu a předvádějí pružný pohyb na zemi. Kromě toho jsou Pteromyini schopni vykazovat multimodální lokomoci díky membráně, která spojuje přední a zadní končetiny, což také zvyšuje jejich klouzavost. Bylo prokázáno, že pružná membrána má vyšší součinitel zdvihu než tuhé desky a zpožďuje úhel náběhu, při kterém dojde k zablokování. Létající veverka má také silné svazky na okrajích membrány, špičkách křídel a ocasu, což pomáhá minimalizovat výkyvy a zbytečné ztráty energie.
Pteromyini jsou schopni zvýšit své klouzavé schopnosti díky mnoha fyzickým vlastnostem, které mají.
Flexibilní svalová struktura slouží více účelům. Za prvé, plagiopatagium , které slouží jako primární generátor vztlaku létající veverky, může díky svým tenkým a pružným svalům účinně fungovat. Plagiopatagium je schopné kontrolovat napětí na membráně v důsledku kontrakce a expanze. Kontrola napětí může v konečném důsledku pomoci při úsporách energie díky minimalizovanému třepání membrány. Jakmile veverka přistane, stáhne svou membránu, aby zajistila, že se membrána při chůzi neklesne.
Propatagium a uropatagium slouží k zajištění dalšího výtahu pro Pteromyini. Zatímco propatagium se nachází mezi hlavou a předními končetinami létající veverky, uropatagium se nachází na ocasu a zadních končetinách a tyto slouží k zajištění létající veverky se zvýšenou agilitou a odporem při přistání.
Létající veverka má navíc na okrajích své membrány silné svalové struktury podobné lanu, které udržují tvar membrán. Tyto svalové struktury nazývané platysma, tibiocarpalis a semitendinosus se nacházejí na propatagiu, plagiopatagiu a uropatagiu. Tyto silné svalové struktury slouží k ochraně před zbytečným třepetáním v důsledku silných tlaků větru při klouzání, čímž se minimalizují energetické ztráty.
Konce křídel jsou umístěny na zápěstí předních končetin a slouží k vytvoření profilu křídla, který minimalizuje účinek indukovaného odporu v důsledku tvorby vírů na konci křídel . Konce křídel tlumí účinky vírů a brání indukovanému odporu ovlivňovat celé křídlo. Létající veverky jsou schopny rozvinout a sklopit konce křídel při klouzání pomocí palců. To slouží k zabránění nežádoucímu prověšení konců křídel.
Ocas létající veverky umožňuje zlepšit klouzavé schopnosti, protože hraje zásadní roli. Na rozdíl od jiných obratlovců má Pteromyini ocas, který je zploštělý, aby při klouzání získal více aerodynamického povrchu. To také umožňuje létající veverce udržovat stabilitu úhlu stoupání ocasu. To je zvláště užitečné při přistávání, protože létající veverka je schopna rozšířit úhel stoupání a vyvolat větší odpor, aby zpomalila a bezpečně přistála.
Nohy a ocas Pteromyini navíc slouží ke kontrole směru jejich klouzání. Vzhledem k pružnosti membrán kolem nohou je kontrolován úhel tětivy a dihedrální úhel mezi membránou a koronální rovinou těla. To umožňuje zvířeti vytvářet valivé, nadhazovací a zatáčivé pohyby, které zase řídí rychlost a směr klouzání. Během přistání je zvíře schopné rychle snížit rychlost zvýšením odporu a změnou úhlu stoupání pomocí svých membrán a dále zvýšit odpor vzduchu uvolněním napětí mezi membránami nohou.
Desmodus Rotundus (upíří netopýr)
O běžných upírských netopýrech je známo, že disponují výkonnými režimy pozemské lokomoce, jako je skákání, a vzdušnou pohyblivostí, jako je klouzání. Několik studií prokázalo, že morfologie netopýra umožňuje snadné a efektivní střídání mezi oběma režimy lokomotivy. Anatomie, která v tom pomáhá, je v podstatě postavena kolem největšího svalu v těle netopýra, pectoralis profundus (zadní rozdělení). Mezi dvěma způsoby pohybu jsou tři kosti, které jsou sdíleny. Tyto tři hlavní kosti jsou nedílnou součástí struktury paže, konkrétně pažní kosti, loketní kosti a poloměru. Protože již existuje sdílení komponent pro oba režimy, nejsou při přechodu ze skoku na klouzání potřeba žádné další svaly.
Podrobná studie morfologie ramene netopýra ukazuje, že kosti paže jsou o něco pevnější a ulna a poloměr byly srostlé tak, aby pojaly těžké reakční síly ze země
Schistocerca gregaria (saranče pouštní)
Pouštní kobylky je známý pro svou schopnost skákat a létat na dlouhé vzdálenosti, stejně jako procházení na souši. Podrobná studie anatomie tohoto organismu poskytuje určité podrobnosti o mechanismech pohybu. Zadní nohy kobylky jsou vyvinuty ke skákání. Mají semi-lunární proces, který se skládá z velkého extenzorového svalu holenní kosti, malého svalu holenního ohýbače a zesílené kutikuly ve tvaru banánu. Při flexi tibiálního svalu se zvyšuje mechanická výhoda svalů a vertikální tahová složka extenze nohy. Tyto pouštní kobylky využívají mechanismus katapultu, kde je energie nejprve uložena v zadních nohách a poté uvolněna, aby se nohy rozšířily.
Aby došlo k dokonalému skoku, musí kobylka tlačit nohy na zem dostatečně silnou silou, aby zahájila rychlý vzlet. Síla musí být dostačující, aby bylo dosaženo rychlého vzletu a slušné výšky skoku. Síla musí být také generována rychle. Aby mohl hmyz efektivně přejít z režimu skoku do režimu létání, musí upravit čas během otevírání křídla, aby maximalizoval vzdálenost a výšku skoku. Když je v zenitu skoku, aktivuje se letový režim.
Multimodální robotická lokomoce založená na bioinspiraci
Modelování multimodálního kráčejícího a klouzavého robota po Pteromyini (létající veverky)
Po objevu modelu, který je třeba napodobit, se vědci pokusili navrhnout robot s nohama, který by byl schopen dosáhnout efektivního pohybu ve vzdušném i pozemském prostředí pomocí pružné membrány. K dosažení tohoto cíle bylo tedy třeba vzít v úvahu následující aspekty návrhu:
1. Tvar a plocha membrány musely být vědomě zvoleny tak, aby bylo možné dosáhnout zamýšlených aerodynamických schopností této membrány. Kromě toho by konstrukce membrány ovlivnila konstrukci nohou, protože membrána je připevněna k nohám.
2. Membrána musela být dostatečně pružná, aby umožňovala neomezený pohyb nohou při klouzání a chůzi. Množství pružnosti však bylo nutné kontrolovat vzhledem k tomu, že nadměrná flexibilita by mohla vést k významné ztrátě energie způsobené oscilacemi v oblastech membrány, kde dochází k silnému tlaku.
3. Noha robota musela být navržena tak, aby umožňovala odpovídající momenty pro chůzi i klouzání.
Aby byly tyto faktory začleněny, musela být věnována velká pozornost vlastnostem létající veverky. Aerodynamické vlastnosti robota byly modelovány pomocí dynamického modelování a simulace. Napodobením tlustých svalových svazků membrány létající veverky byli konstruktéři schopni minimalizovat kolísání a oscilace na hranách membrány robota, čímž se snížily zbytečné energetické ztráty. Kromě toho bylo množství odporu na křídle robota sníženo použitím zatahovacích špiček křídel, což umožnilo zlepšit klouzavé schopnosti. Noha robota byla navíc navržena tak, aby zahrnovala dostatečný točivý moment po napodobení anatomie Pteryominiho nohy pomocí analýzy virtuální práce.
Podle konstrukce nohy a membrány robota byl jeho průměrný klouzavý poměr (GR) stanoven na 1,88. Robot fungoval efektivně, procházel několika způsoby chůze a plazil se s vysokými nohami DoF. Robot byl také schopen bezpečně přistát. Tyto výkony demonstrovaly klouzavé a chůzení schopnosti robota a jeho multimodální lokomoce
Modelování multimodálního skákacího a klouzavého robota po Desmodus Rotundus (upíří netopýr)
Konstrukce robota s názvem Multi-Mo Bat zahrnovala vytvoření čtyř primárních fází provozu: fáze skladování energie, fáze skoku, fáze doběhu a fáze klouzání. Fáze ukládání energie v podstatě zahrnuje rezerva energie pro energii skákání. Tato energie je uložena v hlavních energetických pružinách. Tento proces navíc vytváří točivý moment kolem kloubu ramen, což zase konfiguruje nohy pro skákání. Jakmile je uložená energie uvolněna, může být zahájena skoková fáze. Když je zahájena skoková fáze a robot vzlétne ze země, přechází do pobřežní fáze, která probíhá, dokud není dosaženo acme a nezačne klesat. Když robot sestupuje, tažení pomáhá snižovat rychlost, kterou klesá, protože křídlo je překonfigurováno kvůli zvýšenému odporu ve spodní části profilů křídel. V této fázi robot klouže dolů.
Anatomie paže upírské pálky hraje klíčovou roli v konstrukci nohy robota. Aby se minimalizoval počet stupňů volnosti (DoF), jsou obě složky ramene zrcadleny přes rovinu xz. To pak vytvoří čtyřbarevný design nožní konstrukce robota, což má za následek pouze dva nezávislé DoF.
Modelování multimodálního skákacího a létajícího robota po Schistocerca gregaria (kobylka pouštní)
Zkonstruovaný robot byl poháněn jediným stejnosměrným motorem, který integroval výkon při skákání a mávání. Byl navržen jako začlenění obráceného posuvného klikového mechanismu pro konstrukci nohou, systému psí spojka sloužícího jako mechanismus pro naviják a mechanismu ozubeného pastorku používaného pro systém mávání křídel. Tato konstrukce obsahovala velmi účinný mechanismus ukládání a uvolňování energie a integrovaný mechanismus klapání křídel.
Byl vyvinut robot s funkcemi podobnými kobylce. Primárním rysem konstrukce robota byl převodový systém poháněný jediným motorem, který robotu umožňoval provádět jeho skákavé a mávání pohyby. Stejně jako pohyb kobylky je pohyb robota zahájen ohnutím nohou do polohy maximálního uložení energie, po které se energie okamžitě uvolní, aby se vytvořila síla nezbytná k dosažení letu.
Robot byl testován na výkon a výsledky ukázaly, že robot dokázal vyskočit na přibližnou výšku 0,9 m při hmotnosti 23 g a mávání křídly na frekvenci asi 19 Hz. Robot testovaný bez mávání křídly si vedl méně působivě a ve srovnání s robotem s křídly vykazoval asi 30% pokles skokového výkonu. Tyto výsledky jsou docela působivé, protože se očekává, že to bude naopak, protože hmotnost křídel měla mít vliv na skákání.
Přístupy
- Optimalizace produktu
- Pohybové plánování
- Zachycení pohybu lze provádět na lidech, hmyzu a dalších organismech.
- Strojové učení , obvykle s posilovacím učením .