Анализ и сравнение видов передвигающихся роботов

Локомоция (от лат. locus – место и motio – движение) – передвижение, разновидность движений животных и человека, связанная с активным перемещением в пространстве[Academic]. Задача локомоции – это общий вопрос, который решается в ходе разработки системы. Но подходы к созданию подходящей конструкции значительно зависят от входных условий. Для перемещающихся по поверхности объектов основными условиями являются: свойства и рельефа поверхности, действие внешних сил, скоростные показатели.

Конструкции роботов создаются с использованием знаний обо всех видах, перемещающихся по поверхности объектов. К ним относятся как технические приспособления, изобретенные человеком, так и естественные (природные) объекты наблюдения – насекомые, животные и человек. В современной робототехнике можно выделить следующие направления разрабатываемых систем перемещения[ASAR]:

· Колесные и гусеничные роботы

· Шагающие роботы

· Гибридные (колеса и конечности)

· Специализированные (например, змееподобный)

Рассмотрим подробнее два наиболее распространенных вида роботов.

Колесные и гусеничные роботы

Первый вид использует в качестве средства перемещения колесо. Данный способ позволяет достигать очень хороших скоростных показателей и легкое изменение траектории движения на ровных поверхностях. Недостатком колесной конструкции является сложность или невозможность преодоления препятствий с резким перепадом высоты, пробуксовка вследствие недостаточного сцепления колес с поверхностью или провал колеса при перепаде высот. Гусеничные конструкции не так легко изменяют траекторию при движении, но получают возможность поворота на месте. Также гусеницы решают некоторые проблемы колесной конструкции – провал колеса при небольшом, но резком перепаде высот поверхности. Тем не менее, если перепад высот резкий (угол наклона более 45°) и высота преграды превышает около трети диаметра колеса, то преодолеть преграду будет затруднительно. Особенностью средств перемещения, построенных на колесной базе, является наличие трека (колеи), на протяжении которого робот оказывает давление на поверхность.

Преимущества:

· Высокие скоростные показатели

· Легкое изменение траектории движения

· Плавность и равномерность движения

· Разворот на месте (преимущественно для гусеничных машин)

Недостатки:

· Сложность преодоления препятствий с резким перепадом высоты (ямы)

· Сложность преодоления препятствий выше уровня нижней трети колеса (уступ)

· Движение только в двух направлениях, находящихся в плоскости колес. Сложность реализации перемещения в любом направлении с места без разворота

· Сложность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.

Шагающие роботы

Шагающие роботы – второй распространенный вид передвигающихся роботов. Отличительной особенностью данного типа роботов в том, что при проектировании конструкции используется биологический подход. Конструкция и алгоритм ходьбы строится на основе материалов наблюдений за живым существом. Различие вариантов конструкций обусловлено разнообразием используемых примеров из живой природы, но при этом можно выделить общие черты, и как следствие преимущества и недостатки.

Преимущества:

· Преодоление препятствий с резким перепадом высоты (яма)

· Возможность преодоления препятствий высотой до уровня крепления конечности (уступ)

· Разворот на месте

· Возможность реализации движения в любом направлении с места

· Возможность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.

Недостатки:

· Небольшая скорость перемещения

· Возможна неравномерность движения

· Сложность реализации конструкции (преимущественно для двуногих роботов).

Итоги сравнения

Исходя из оценки возможностей роботов двух видов понятно, что шагающие машины лучше приспособлены для преодоления препятствий и движения по неровному покрытию. Движение по относительно ровной поверхности не является технически сложной задачей. Движение по неровной, с заранее неизвестным рельефом поверхности требует разработки алгоритмов передвижения и конструктивных приспособлений.

Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.

Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль над их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом – центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.