Будь то помощь по хозяйству, общение или развлечения, персональные роботы обещают играть центральную роль в нашем обществе, которое становится все более технологичным.
Следуя тенденции массовой персонализации и используя последние достижения в области цифрового производства, долгосрочная цель ученых заключается в разработке алгоритмов, которые позволят создавать роботов в соответствии с индивидуальными потребностями и предпочтениями тех, кому они служат.
Представляется новый дизайн мобильных роботов, использующих произвольное расположение ножек и колес для локомотива. Такие гибридные роботы обладают комбинированной универсальностью ножных и колесных систем, но они также унаследовали свои сложные задачи:
- У них много степеней свободы, требующих точной координации для создания сбалансированных, элегантных и эффективных движений
- Их кинематика и динамика регулируются очень нелинейными уравнениями
- Их возможности двигателя и характеристики физического проектирования неразрывно связаны между собой
По этим причинам создание гибридных мобильных роботов остается очень сложной и подверженной ошибкам задачей.
Колесные роботы
Активные колеса сами по себе являются очень успешными локомотивными устройствами, о чем свидетельствует обилие транспортных средств, имеющихся на наших дорогах. В связи с этим возникает вопрос:
Что можно получить, поставив моторизованные колеса на ножки роботов?
Помимо возможности переключения на движение ногами в любое удобное время, дополнительная гибкость, обеспечиваемая комбинированием ног и колес, позволяет повысить маневренность. Чтобы не потерять равновесие и не опрокинуться, робот выдвигает свои передние ноги вперед, чтобы сохранить центр давления внутри опорного полигона.
Пассивные колеса также предоставляют широкие возможности для эффективной локомоции, главным примером чего является катание на коньках.
Конькобежный спорт - это элегантная и высокоэффективная форма передвижения человека. Даже на высоких скоростях мышцы двигаются медленно и поэтому могут прилагать большое усилие для приведения в движение.
Однако, как засвидетельствует каждый, кто когда-либо пробовал кататься на роликах, освоение этого навыка требует высокой степени двигательной координации, которая радикально отличается от других, более родных, форм движения. Именно отсутствие трения делает конькобежный спорт таким элегантным и эффективным.
Swizzling - это техника катания на коньках, при которой колеса остаются в постоянном контакте с землей. Эта техника основана на волнообразных движениях ног, которые используют направленное трение колес и заставляют все тело двигаться вперед. Процесс оптимизации движения автоматически обнаруживает колебательные движения для роботов, которые имеют только одно пассивное колесо на каждую ногу.
Stroking - это несколько более продвинутая техника, требующая периодического подъема ног с земли. Это необходимо, когда несколько колес закреплены на одной ножке, так как такой тип конструкции делает невозможным поворот концевых эффекторов вокруг вертикальной оси без скольжения.
В этом режиме локомотива робот должен поставить заднюю ногу на землю, ориентируя колеса в направлении, близком к ортогональному направлению движения, в то время как передняя нога скользит вперед.
Сварные колеса, которые поддерживаются системой проектирования, позволяют получить более общее представление о физических ножках роботов по сравнению с широко используемой точечной моделью ножки.
Интерактивный дизайн
Улучшенная производительность алгоритма оптимизации движения позволяет пользователю интерактивно определять цели хореографии движения.
Поэтому за очень короткий промежуток времени можно создавать самые разнообразные движения, и пользователь может точно настраивать движения робота в любой желаемой степени.
Например, пользователь просто указывает желаемую скорость и задает несколько боковых конечных положений для центра массы в разные моменты времени. Оптимальное движение генерируется практически мгновенно.
Оптимизация конструкции
Полуавтоматическая оптимизация позволяет пользователю оставить некоторые аспекты движения неизменными при ручной настройке их конструкции.
Полностью автоматическая оптимизация конструкции используется как для исправления тонких дефектов, так и для внесения более радикальных изменений, повышающих способность робота генерировать движения, предусмотренные конструктором.
Учитывая, что возможности двигателя и конструкция робота неразрывно связаны между собой, был разработан пакет управляемых пользователем вычислительных инструментов, которые поддерживают ручную, полуавтоматическую и полностью автоматическую оптимизацию физических размеров робота.
Для создания робота использовались: готовые миниатюрные серводвигатели (Turnigy TGY-306), плата контроллера Maestro USB, стандартный аккумулятор и разъемы для 3D печати.
Также имеются интересные возможности для усовершенствования модели оптимизации движения, а также процесса изготовления роботов, разработанных с помощью 3D принтера.
Например, физический прототип робота движется заметно медленнее, чем имитационная модель. Это неудивительно, учитывая, что при моделировании колеса не имеют люфта и потерь на трение, а двигатели могут очень точно отслеживать запланированные движения.
Лучше спроектированные физические колеса (оснащенные шарикоподшипниками профессионального класса, а не деталями с 3D-печатью) и более мощные приводы помогут заполнить этот пробел.