POLITECHNIKA ŚL
SKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
KATEDRA MECHATRONIKI
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Przedmiot:
Sterowanie i programowanie robotów
Symbol ćwiczenia:
A4
Projektowanie algorytmu chodu robota
Tytuł ćwiczenia:
czteronożnego
SPIS TREŚCI
Spis rysunków 2
1. Cele ćwiczenia 3
2. Podstawowe wiadomości 3
3. Laboratoryjne stanowisko badawcze 4
3.1. Obiekt badany 4
3.2. Urządzenia dodatkowe 4
3.3. Oprogramowanie 4
4. Program ćwiczenia  wykaz zadań do realizacji 5
5. Przykład realizacji zadania  robot sześcionożny 5
6. Raport 6
7. Pytania 6
Literatura 6
STEROWANIE I PROGRAMOWANIE ROBOTÓW  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego
SPIS RYSUNKÓW
1. Przykładowe diagramy chodu robota sześcionożnego 4
2. Robot quadropod 2DoF 4
3. Zakres zmian położenia środka ciężkości w funkcji ustawienia nóg robota 5
4. Diagram chodu trójpodporowego robota sześcionożnego 5
5. Analiza zmian wielokątów podparcia w kolejnych fazach ruchu 6
2
Projektowanie algorytmu chodu robota czteronożnego
STEROWANIE I PROGRAMOWANIE ROBOTÓW  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego
1. CELE ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
 określenie zakresu zmian położenia środka ciężkości w trakcie ruchu robota czteronożnego,
 opracowanie algorytmu chodu stabilnie statycznego robota czteronożnego,
 implementacja i sprawdzenie opracowanego algorytmu w robocie quadropod.
2. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI
Jednym z podstawowych problemów przy projektowaniu robotów kroczących jest wybór
sekwencji przestawiania nóg zwany algorytmem chodu. Algorytm chodu zależy od liczby
nóg, konstrukcji mechanicznej kończyn, liczby stopni swobody na nogę (DoF), dynamiki
napędów. Jako przykład robot hexapod 2DoF może poruszać się do przodu, do tyłu, skręcać
w lewo, skręcać w prawo, natomiast hexapod 3DoF umożliwia także ruch w bok (ruch kraba).
Ze względu na stabilność ruchu można podzielić na:
- statycznie stabilne  ruch jest opisany wyłącznie z wykorzystaniem metod kinematyki,
w każdej chwili ruchu układ znajduje się w stanie statycznym.
- quasi-statycznie stabilne  są to bipedy o dużych stopach. W fazie dwupodporowej
zachowana jest stabilnośc statyczna. W pozostałych fazach ruchu zachowana jest stabilność
dynamiczna.
- dynamicznie stabilne  mają do kilkudziesięciu stopni swobody, zachowują stabilność
tylko w czasie ruchu a dokładniej w wyniku spełnienia warunków dynamicznej równowagi sił
i momentów.
W zależności od mocy obliczeniowej zastosowanego sterownika oraz czujników możliwe są
do zaimplementowania algorytmy chodu falowe lub ruch swobodny.
Ruch falowy jest to ustalona sekwencja przestawiania nóg robota. Zapętlona sekwencja
powoduje wykonanie ciągłego ruchu w określonym kierunku. Prawidłowo zaprojektowana
sekwencja nie wymaga czujników w nogach.
Ruch swobodny jest obliczany na bieżąco. Na podstawie analizy obciążeń wszystkich nóg
sterownik wybiera nogę, która może być podniesiona i przestawiona.
Warunkiem na zachowanie stabilności statycznej ruchu jest utrzymanie środka ciężkości
robota wewnątrz wielokąta podparcia. Wielokąt podparcia to płaska figura geometryczna,
której wierzchołki znajdują się w punktach aktualnego kontaktu robota z podłożem (punktach
podparcia). Oznacza to, że wielokąt podparcia jest dynamiczny i zależy od aktualnego stanu
robota. Projektowanie statycznego stabilnie algorytmu chodu związane jest więc ze
znalezieniem takiego układu środek ciężkości  wielokąt podparcia aby środek ciężkości nie
wychodził poza wielokąt podparcia podczas trwania ruchu. W przypadku projektowania
ruchu falowego zadanie to wykonuje się w fazie projektowej, w przypadku ruchu
swobodnego zadanie to wykonuje sterownik robota na podstawie aktualnych sygnałów z
czujników.
Falowy algorytm chodu można przedstawić za pomocą wykresu ruchu, na którym zaznacza
się fazę protrakcji (przestawiania nogi względem korpusu robota) oraz fazę retrakcji (fazę
podporową nogi). Przykład wykresu ruchu robota sześcionożnego został przedstawiony na
rysunku 1.
3
Projektowanie algorytmu chodu robota czteronożnego
STEROWANIE I PROGRAMOWANIE ROBOTÓW  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego
Rys. 1. Przykładowe diagramy chodu robota sześcionożnego.
Podstawową różnicą między diagramami a i b na rys. 1 jest wystąpienie dodatkowego
(siódmego) kroku w sekwencji. W przypadku a brak tego kroku spowodowany jest faktem, iż
podczas fazy retrakcji nogi przesuwają się w każdym cyklu o 1/5 zakresu ruchu wypychając
robota do przodu względem podłoża. W przypadku b następuje wypchnięcie robota o cały
zakres ruchu jako osobny  siódmy krok.
3. LABORATORYJNE STANOWISKO BADAWCZE
3.1. Obiekt badany
Obiektem badanym jest robot mobilny kroczący quadropod.
Rys. 2. Robot quadropod 2DoF.
3.2. Urządzenia dodatkowe
Komputer PC,
3.3. Oprogramowanie
 LabVIEW,
 szablon programu napisanego w LabVIEW  srodek_hex.vi lub wersja skompilowana
programu.
 Basic Micro Studio,
 szablon programu dla robota quadropod.
4
Projektowanie algorytmu chodu robota czteronożnego
STEROWANIE I PROGRAMOWANIE ROBOTÓW  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego
4. PROGRAM ĆWICZENIA  WYKAZ ZADAC
DO REALIZACJI
 znalez
ć środek ciężkości robota przy różnych konfiguracjach nóg robota,
 określić zakres ruchu środka ciężkości w zależności od położenia nóg,
 opracować algorytm stabilnego statycznie chodu robota czteronożnego,
 zaimplementować algorytm w układzie sterowania robota laboratoryjnego.
5. PRZYKA
AD REALIZACJI ZADANIA  ROBOT SZEŚCIONOŻNY
Jako przykład realizacji zadania wybrano robota sześcionożnego HEXAPOD. Robot
sześcionożny przy odpowiednim algorytmie przestawiania nóg pozostaje w ruchu stabilnie
statycznym. Wystarczy wybrać odpowiedną sekwencję w ruchu falowym.
 ustalenie zmian położenia środka ciężkości robota w zależności od ustawienia nóg. Na
rysunku 3 przedstawiono
Rys. 3. Zakres zmian położenia środka ciężkości w funkcji ustawienia nóg robota.
 wybór sekwencji przestawiania nóg:
Wybrano najszybszy możliwy rodzaj chodu tzw. chód trójpodporowy. Diagram chodu
przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Diagram chodu trójpodporowego robota sześcionożnego [1].
 wybór zakresu przestawiania nóg.
5
Projektowanie algorytmu chodu robota czteronożnego
STEROWANIE I PROGRAMOWANIE ROBOTÓW  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego
Sprawdzono jaki zakres ruchu nie wpływa negatywnie na poruszanie się robota.
Uwzględniono zarówno przemieszczenie wielokąta podparcia jak i naprężenia w nogach
związane z siłą tarcia o podłoże w stanie retrakcji. Wybrano zakres ruchu równy 40O
(maksymalny zakres ruchu wynikający z zastosowanych napędów wynosi 180O).
Rys. 5. Analiza zmian wielokątów podparcia w kolejnych fazach ruchu.
Na rysunku 5 linią ciągłą zaznaczono aktualny stan (ustawienie nóg, wielokąt podparcia)
natomiast linia przerywana docelowy stan w kolejnych fazach ruchu.
 Implementacja wybranego algorytmu w języku PBasic.
6. RAPORT
Raport z ćwiczenia powinien zawierać:
 opis zadania do realizacji,
 sprawozdanie z wykonanych czynności,
 uwagi i wnioski.
7. PYTANIA
1) Co to jest pedipulator.
2) Wymienić i scharakteryzować typy chodów robotów kroczących.
3) Porównać ruch falowy z ruchem swobodnym.
4) Od czego zależą możliwe do realizacji chody w konkretnym robocie.
5) W jakim celu monitoruje się przemieszczenie środka ciężkości robota.
LITERATURA
[1] Zielińska T. Maszyny kroczące. Podstawy, projektowanie, sterowanie i wzorce
biologiczne. PWN, Warszawa 2003,
Opracowanie: Marek Kciuk
6
Projektowanie algorytmu chodu robota czteronożnego