Исследование кинематики биологических механизмов

Человечество всегда в проектировании стремилось к созданию себе-подобного механизма – прямоходящего, но бипедализм людей значительно сложнее в локомоционном плане, чем шести- или четвероногость и требует развития более сильного вестибулярного аппарата и очень серьезных систему управления на его основе, поэтому наибольшее распространение получили «многоногие» роботы. Поскольку биологический подход к разработкам наиболее сложный (требуется всестороннее изучения биологических механизмов), но в то же время и наиболее простой (не нужно изобретать велосипед – все уже давно придумано природой) было проведено изучение передвижения насекомых.

В качестве объекта исследований выбран рыжий таракан (пруссак). Тараканы (Blattodea) — один из наиболее древних отрядов крылатых насекомых. Они появились в первой половине каменноугольного периода (около 300 млн лет назад), когда на Земле царил тёплый и влажный климат. В то время тараканы были самой многочисленной и разнообразной группой насекомых. Но “процветают” они и сейчас. Так что эти насекомые вдвое старше знаменитых динозавров и в отличие от них совсем не собираются вымирать. Его ноги – тот универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины.

Используя кинокамеру, можно проследить бег таракана, предварительно его засняв. Для этого таракана помещают в стеклянную пробирку и, закрепив ее, снимают бегающего таракана кинокамерой. После этого с кинокамеры все переписывается на компьютер, где с помощью компьютерной программы PINNACLE замедляется бег таракана и создается фильм “Тараканий бег”. Теперь можно проследить всю кинематику его бега. Работая в программе PINNACLE, создаются отдельные кадры бега таракана, с помощью которых прослеживается кинематика движения его ног при беге.

Исходя из полученных снимков, рассмотрим способ формирования походки рыжего таракана. Основным типом его походки является походка 3—3 (трешками).

В каждый момент своего движения таракан стоит на трех ногах: передней и задней левой и средней правой (или наоборот). Каждая пара ног выполняет различную функциональную нагрузку, и это отражается на их длине. Передняя пара ног наиболее короткая, цепляясь попеременно за неровности грунта, тянет тело вперед. Средняя и самая длинная — задняя пара конечностей при разгибании в коленном суставе толкают тело таракана вперед. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела.

Если проследить движение задних ног таракана, то можно выявить интересную закономерность в движении бедра правой и левой ноги. На экране монитора четко видно, что при движении бедро правой и левой ноги таракана все время образует одну линию. Эту закономерность можно также использовать при проектировании движения шагающего робота.

Однако таракан не всегда использует походку трешками, в какие-то моменты он переходит на галоп, правда, на очень короткий момент.

Чаще всего он использует сильное отталкивание двумя задними ногами в первый момент движения для развития скорости, а затем переходит на обычную походку трешками. Использование этого шага для передвижения робота не вполне удобно, так как очень усложнится его управление, а если масса робота велика, то усилия для движения задних ног потребуются очень большие, что не вполне можно выполнить.

Для шагающего робота в процессе выноса ног должен осуществляться контроль высоты положения стоп над поверхностью. Если высота любой из стоп становится меньше допустимой, то производится подъем ноги до достижения нужной высоты, а затем продолжается вынос ног вперед. Конец движения определяется одним из следующих условий:

Во время вспомогательной фазы должно происходить восстановление горизонтального положения и заданной высоты платформы, а также смещение центра тяжести в зону равновесия;

Зона достаточной устойчивости может быть определена через разность усилий в максимально и минимально нагруженных опорах, которая не должна превышать допустимой величины. Введение центра тяжести шагающего устройства в зону допустимой устойчивости достигается путем задания горизонтального движения платформы, что задается блоком поддержания равновесия.

Исследование бега таракана позволило сделать следующие выводы. Непрерывная походка типа 3—3 образуется в результате слияния фаз прерывистой походки. Непрерывная походка экономичнее прерывистой и обеспечивает большую скорость перемещения при тех же динамических нагрузках, однако, она может использоваться только для перемещения по сравнительно ровной поверхности.

Для общей ориентации шагающей машины в пространстве необходимо применять комплекс управляющих алгоритмов, представляющих многоуровневую иерархическую систему.

Следует отметить, что кинематика шагающего робота позволяет существенно уменьшить возможность потери проходимости, будет более маневренной, сможет проходить по сильно пересеченной местности. Опорные элементы шагающего робота имеют значительно большую зону возможных контактов с поверхностью передвижения по сравнению с колесом или гусеницей.