Lokomocja robotów

Maszyny kroczące i kołowe

2

Rys historyczny

Mechaniczny pies –
2000 r. p.n.e.

Chińska maszyna
krocząca – 231 r. n.e.

Naukowa analiza
ruchu owadów i
ssaków – od XVII w.

Fotografia konia w
galopie 1872 r.

3

Rys historyczny

Mechaniczny pies –
2000 r. p.n.e.

Chińska maszyna
krocząca – 231 r. n.e.

Naukowa analiza
ruchu owadów i
ssaków – od XVII w.

Fotografia konia w
galopie 1872 r.

4

Rys historyczny

1893 – mechaniczny koń

1968 – czteronożna
ciężarówka

1977 – komputerowo
sterowany sześcionóg

1980 – czworonóg zdolny
do pokonywania przeszkód

5

Zagadnienia związane z lokomocją

Lokomocja jest związana z siłami interakcji oraz mechanizmami i napędami

generującymi te siły.

Stabilność:



liczba punktów kontaktu z podłożem



położenie środka ciężkości



stabilność statyczna/quasi–statyczna/dynamiczna



nachylenie terenu

Charakterystyka kontaktu:



kontakt punktowy lub powierzchniowy



kąt kontaktu



tarcie

Rodzaj środowiska:



struktura



ośrodek (powietrze, woda, grunt miękki lub twardy)

6

Klasyfikacja maszyn kroczących

Rodzaj stabilności



Statycznie stabilne



Quasi-statycznie stabilne



Dynamicznie stabilne

Liczba nóg



Jednonożne (dynamiczne)



Dwunożne (dynamiczne i statyczne)



Czteronożne (statyczne i dynamiczne



Sześcionożne (statyczne)



Wielonożne (statyczne)

7

Zalety i wady maszyn kroczących

Zalety maszyn kroczących:



adaptacja i manewrowość w zróżnicowanym (nierównym)
terenie



możliwość pokonywania przeszkód (dziury, nierówności)



potencjalna możliwość manipulowania obiektami za pomocą
kończyn (np. owady)

Wady maszyn kroczących:



skomplikowana budowa mechaniczna (duża liczba stopni
swobody)



duże zapotrzebowanie na energię (wiele napędów)



złożony układ sterowania

8

Istotne terminy

Okres chodu – czas wykonania jednej sekwencji przestawień nóg.

Współczynnik obciążenia – czas styku nogi z podłożem znormalizowany względem
okresu chodu.

Faza względna – znormalizowany (do okresu chodu) przedział czasu od początku
okresu do postawienia określonej nogi (lub znormalizowany przedział czasu od
postawienia wybranej nogi do chwili postawienia innej, wybranej nogi).

Faza przenoszenia (protrakcja) – faza przenoszenia nogi do przodu względem
korpusu.

Faza podparcia (retrakcja) – noga dotyka terenu i pcha korpus do przodu (koniec
nogi przemieszcza się względem korpusu). Jest to faza napędzająca ruch.

Chód okresowy (periodyczny, rytmiczny) – chód, w którym stale jest powtarzana
sekwencja przestawień nóg. Zwierzęta wybierają ten rodzaj chodu, gdy nie ma zmian
prędkości ruchu, a na podłożu nie ma przeszkód.

Chód swobodny – w chodzie tym na bieżąco jest wybierana noga, która będzie
przenoszona, następuje to w zależności od warunków zewnętrznych.

Bieg (np. galop, trucht, kłus, inochód, szybki inochód) – grupa chodów o
współczynnikach obciążenia mniejszych od 0,5.

Chód spacerowy (stęp) – grupa chodów o współczynnikach obciążenia większych
lub równych od 0,5. W tych chodach są chwile, gdy z podłożem styka się więcej niż
jedna noga.

9

Układ nóg i liczba możliwych chodów

Dla robota kroczącego o k nogach możliwa liczb zdarzeń N jest równa:

N = (2k − 1)!

Dla maszyny dwunożnej k = 2 możliwa liczba zdarzeń N = 3! = 6
Dla maszyny sześcionożnej k = 6 N = 11! = 39916800.

10

Chody owadów - właściwości

Fale przemieszczeń nóg od tyłu ku przodowi

Nogi naprzeciwległe w danym segmencie ciała są
przesunięte w fazie

Czas transferu jest stały dla wszystkich nóg niezależnie
od prędkości

Czas podparcia maleje wraz z prędkością ruchu

Okres pomiędzy podniesieniem nogi tylnej a środkowej
oraz środkowej i przedniej są porównywalne; ten sam
okres dla nogi tylnej i przedniej jest zależny od prędkości
ruchu

11

Chody czworonogów

Bardzo różnorodne



Symetryczne (wolne) – koń 167(!) różnych



Asymetryczne (szybkie)

Liczba Frouda

gh

v

F

2

=

12

Rodzaje chodów i ich diagramy

Okresowe



chód ze stałą
prędkością po równym
podłożu

Swobodne



chód za
przewodnikiem



chód po nierównym
podłożu

Pełzanie (najwolniejszy chód)

13

Diagramy chodu

Chód szybszy

Chód trójpodporowy - najszybszy

14

Stabilność chodu

15

Roboty jednonożne

16

Roboty dwunożne

17

Roboty dwunożne

18

Robopiłkarze

19

Roboty dwunożne

20

Roboty czworonożne

21

Roboty czworonożne

22

Roboty sześcionożne

23

Roboty sześcionożne

24

Mechanizm Theo Jansena

25

26

Roboty kołowe

Stabilność robota mobilnego jest zagwarantowana przy trzech kołach.
Ś

rodek ciężkości powinien leżeć wewnątrz trójkata, którego wierzchołkami

są punkty kontaktu kół z podłożem.

Poprawiamy stabilność zwiększając liczbę kół do czterech lub więcej. Taka

konstrukcja jest hiperstatyczna i zazwyczaj jest potrzebny elastyczny układ
zawieszenia pojazdu.

Duże koła umożliwiają pokonywanie przeszkód, lecz wymagane są większe
momenty napędowe lub przekładnie o wyższych przełożeniach (redukcja
prędkości).

Większość robotów kołowych jest nieholonomiczna, co utrudnia sterowanie
takimi pojazdami.

Połączenie napędu i kierowania na jednym kole komplikuje konstrukcję
mechaniczną i zwiększa błędy odometrii.

Zazwyczaj nie ma problemów z zachowaniem równowagi pojazdu
kołowego. Badania nad kołowymi robotami mobilnymi dotyczą zagadnień
trakcji i stabilności, sterowności i mobilności, sterowania oraz konstrukcji.

27

Typy kół

Zwykłe Samonastawne Szwedzkie Sferyczne

28

Liczba i rodzaj kół

Najczęściej stosowane
2,3,4-kołowe

Rzadziej 6-kołowe
i więcej

Bardzo rzadko
1-kołowe

Legenda:

Nienapędzane koło wielokierunkowe

Napędzane koło szwedzkie

Nienapdzane koło zwykłe

Napędzane koło zwykłe

Napędzane koło wleczone

Kierowane koło zwykłe

Koła współosiowe

29

Roboty 1-kołowe

Robot kula lub z kołem kulistym

Robot z jednym stałym kołem

napędowym

30

Roboty 2-kołowe

Koło napędowe z tyłu, skrętne z

przodu – motocykl, rower

Centralny napęd różnicowy,

ś

rodek masy robota poniżej osi

(stabilny) albo powyżej
(niestabilny)

31

Roboty 3-kołowe

Napęd różnicowy umieszczony

centralnie +

trzeci punkt podparcia

Pioneer 3DX

Napęd różnicowy umieszczony z

przodu lub z tyłu +

trzeci punkt podparcia

Scout

32

Roboty 3-kołowe

Tylna oś napędowa +

przednie koło skrętne
skuter Piaggio

Przednie koło

napędzane i skrętne
+ dwa tylne koła
swobodne
Neptune CMU

33

Roboty 3-kołowe specjalne

3 napędowe koła szwedzkie dają

możliwość jazdy w dowolnym
kierunku – robot holonomiczny

PalmPilot

Napęd synchroniczny – 3

napędowe koła o
zsynchronizowanym i
sterowanej orientacji – robot
(niemal) holonomiczny

Nomad 200

34

Roboty 4-kołowe

Tylna oś napędowa,

przednia oś skrętna –
samochód
tylnonapędowy

Przednia oś napędowa,

tylna oś skrętna –
samochód
tylnonapędowy

Obie osie napędowe i

skrętne
Hyperion CMU

Napęd różnicowy z

przodu lub tyłu + dwa
punkty podparcia

35

Roboty 4-kołowe

Centralny napęd różnicowy + 2

punkty podparcia
Khepera

4 napędowe koła szwedzkie –

możliwość jazdy w dowolnym

kierunku

Uranus CMU

4 napędowe i skrętne koła

nastawne – możliwość jazdy w

dowolnym kierunku

Nomad XR4000

36

Roboty 6-kołowe

2 skrętne koła napędowe w

osi robota + 4 punkty
podparcia

Napęd różnicowy + 4 punkty

podparcia
Hilare 2-bis

37

Roboty 6-kołowe

Centralny napęd różnicowy

+ 4 koła zwykłe
Elektron

6 kół napędowych

Elektron

38

Roboty 1-kołowe

39

Roboty 1-kołowe

40

Roboty 2-kołowe

41

Roboty 3-kołowe

42

Roboty 3-kołowe

43

Roboty 4-kołowe

44

Roboty 4-kołowe specjalne

45

Roboty 4-kołowe holonomiczne

46

Roboty 6-kołowe

47

Roboty gąsienicowe

48

Roboty hybrydowe

49

Roboty hybrydowe