Ключевым моментом для определения местоположения при движении является манипулирование. Манипулятор робота фиксирован, но перемещает объекты в рабочем пространстве, придавая им силу. При движении окружающая среда фиксирована и робот движется, передавая силу окружающей среде. В обоих случаях научное обоснование заключается в изучении исполнительных механизмов, создающих силы взаимодействия, и механизмов, гибридного колесного автомобиля с опорной стойкой для пересеченной местности.
Локализация и манипулирование, таким образом, имеют одни и те же основные проблемы стабильности, характеристик контакта и типа окружающей среды:
- стабильность
- количество и геометрия точек контакта
- центр тяжести
- статическая/динамическая стабильность
- наклон поверхности
- характеристики контакта
- размеры и форма точки контакта/пути контакта
- угол контакта
- трение
- тип среды
- структура
- среда (например, вода, воздух, мягкий или твердый грунт).
Движение ноги - точечный контакт
Теоретический анализ движения начинается с механики и физики. С этого момента можно формально определить и проанализировать все виды мобильных роботов. Так, движение ноги характеризуется серией точечных контактов между роботом и землей. Ключевыми преимуществами являются адаптивность и маневренность на пересеченной местности.
Поскольку требуется только набор точечных контактов, качество грунта между этими точками не имеет значения до тех пор, пока робот может поддерживать достаточный дорожный просвет. Кроме того, пешеходный робот способен пересекать дыру или пропасть до тех пор, пока его радиус действия превышает ширину дыры. Конечным преимуществом опорно-двигательного аппарата на ногах является возможность с большим мастерством манипулировать объектами в окружающей среде. Отличный пример насекомого, навозного жука, который способен катить мяч во время передвижения с помощью своих ловких передних ног.
Энергетическая и механическая сложность
Основными недостатками опорно-двигательного аппарата для ног являются его энергетическая и механическая сложность. Нога, которая может включать несколько степеней свободы, должна выдерживать часть общего веса робота, а у многих роботов должна быть способна поднимать и опускать робота. Кроме того, высокая маневренность может быть достигнута только в том случае, если ноги имеют достаточное количество степеней свободы для передачи сил в различных направлениях.
Поскольку ножные роботы являются биологически мотивированными, необходимо посмотреть на биологически успешные ножные системы. Ряд различных конфигураций ног был успешным в различных организмах.
Животные как пример
Крупные животные, такие как млекопитающие и рептилии, имеют четыре ноги, тогда как насекомые - шесть и более ног. У некоторых млекопитающих улучшена способность ходить только на двух ногах. Особенно в случае с людьми, баланс достиг такой степени, что мы можем даже прыгать с одной ногой.
Эта исключительная маневренность обходится недешево: гораздо более сложный активный контроль для поддержания баланса. В противоположность этому, существо с тремя ногами может иметь статическую, устойчивую позу при условии, что его центр тяжести находится внутри штатива, контактирующего с землей. Статическая стабильность, демонстрируемая трёхногим стулом, означает, что баланс поддерживается без необходимости в движении. Небольшое отклонение от стабильности (например, мягкое нажатие на стул) пассивно корректируется в сторону стабильной позиции, когда сила отрыва прекращается.
Но робот должен уметь поднимать ноги, чтобы ходить. Для достижения статической ходьбы робот должен иметь не менее шести ног. В такой конфигурации можно спроектировать походку, в которой статически устойчивая штатив ног будет постоянно соприкасаться с землей.
А если посмотреть на пауков...
Насекомые и пауки сразу же могут ходить, когда рождаются. Для них проблема равновесия во время ходьбы относительно проста. Млекопитающие с четырьмя ногами не могут достичь статической ходьбы, но могут легко стоять на четырех ногах. Некоторые животные, например, тратят несколько минут, пытаясь встать, прежде чем они смогут это сделать, а затем тратят еще несколько минут на то, чтобы научиться ходить, не падая духом. Люди с двумя ногами даже не могут стоять в одном месте со статической стабильностью. Младенцам требуются месяцы, чтобы стоять и ходить, и еще больше времени, чтобы научиться прыгать, бегать и стоять на одной ноге.
Биологический мир разнообразен
Существует также потенциал для большого разнообразия в сложности каждого отдельного этапа. Биологический мир вновь является наглядным примером в обеих крайностях. Например, в случае гусеницы каждая нога выдвигается с помощью гидравлического давления, сжимая полость тела и усиливая давление, и каждая нога выдвигается продольно, расслабляя гидравлическое давление, а затем активируя одну растягивающуюся мышцу, которая тянет ногу в направлении тела. Каждая нога имеет только одну степень свободы, которая ориентирована вдоль ноги в продольном направлении. Передний ход движения зависит от гидравлического давления в теле, которое увеличивает расстояние между парами ног.
Таким образом, гусеничная нога механически очень проста и использует минимальное количество посторонних мышц для достижения сложной общей подвижности. С другой стороны, человеческая нога обладает более чем семью основными степенями свободы в сочетании с дальнейшим движением пальцев ног. Более пятнадцати групп мышц приводят в действие восемь сложных суставов. В случае подвижных роботов, передвигающихся на ногах, как правило, требуется не менее двух степеней свободы для перемещения ноги вперед путем поднятия ноги и ее поворота вперед. Более распространенным является добавление третьей степени свободы для более сложных маневров.
И четвертая степень свободы
Недавние успехи в создании двустворчатых ходячих роботов добавили четвертую степень свободы в области голеностопного сустава. Лодыжка обеспечивает более равномерный контакт с землей, приводя в действие положение подошвы стопы. В целом добавление степени свободы ноге робота повышает маневренность ноги, увеличивая как дальность движения по рельефу, так и способность перемещаться с помощью разнообразных походок. Основными недостатками дополнительных шарниров и исполнительных механизмов являются, конечно же, энергия, управление и масса. Дополнительные приводы требуют энергии и управления, а также увеличивают массу ног, увеличивая требования к мощности и нагрузке на существующие приводы.
В случае многоногих мобильных роботов возникает проблема координации ног для управления движением или походкой. Количество возможных походок зависит от количества ног.
