Шагающие роботы не андроидного типа. Современное состояние и перспективы развития.
Несмотря на то, что в наземной робототехнике преобладают колёсные платформы благодаря их высокой скорости, простоте управления, высокой энергоэффективности и конструкционной надёжности, тем не менее шагающие роботизированные платформы также продолжают развиваться, поскольку они потенциально имеют более высокую степень ситуационной адаптивности, основанную на большом количестве степеней свободы. Это делает шагающие платформы более универсальными с точки зрения применения в различных обстоятельствах. Среди шагающих роботов не андроидного типа на данный момент преимущественно разрабатываются бионические платформы с различным количеством шаговых опор:
| Бионическая роботизированная платформа | Отрабатываемый тип походки |
| Двухопорная платформа | Походка птицы |
| Четырёхопорная платформа | Походка собаки, парнокопытных или семейства кошачьих |
| Многоопорные платформы (преобладают гексоподы) | Походка насекомых как с боковой, так и с лучевой симметрией конечностей |
Теперь давайте рассмотрим каждую шагающую роботизированную платформу по отдельности.
Двухопорные роботизированные платформы.
Двухопорные роботы с походкой птицы обладают гораздо лучшей пассивной динамикой (при правильном размещении центра тяжести), чем андроидные роботы. Это выражается, например в том, что «птицеходы», споткнувшись о какое-либо препятствие, гораздо лучше сохраняют равновесие. Однако такие платформы достаточно сложны в плане электромеханического устройства, поскольку в них используется рычажно-пружинный привод с разными типами электродвигателей:
Кроме этого, основной проблемой двухопорных бионических роботов является плохая устойчивость в момент передвижения, так как одна опора у них постоянно оторвана от поверхности, поэтому гораздо большей популярностью в робототехнике пользуются четырёхопорные платформы.
Четырёхопорные роботизированные платформы.
Конечности четырёхопорных бионических роботов как правило состоят из одно или двухколенных шарнирносочленённых опор, управляемых единым динамическим блоком, который установлен в верхней части шаговой опоры. Такое конструкционное решение отличается наибольшей простотой и надёжностью:
Среди возможных типов походок у четырёхопорных роботов особенно часто встречающейся является походка собаки, как наиболее универсальная для различных сценариев применения. Современные «роботы-собаки» могут не только нести различные виды полезной нагрузки, передвигаясь в широком скоростном диапазоне, но и преодолевать сложные препятствия, а также восстанавливать своё положение после падения.
Бионический четырехопорный шагающий робот LC-S1/LC-L1
Однако для отдельных применений, имеющих свою особую специфику (передвижение по очень сложным поверхностям с различным углом наклона), бывают необходимы многоопорные шагающие платформы, среди которых преобладают бионические гексоподы.
Шестиопорные роботизированные платформы.
Среди шестиопорных шагающих роботов наибольшей популярностью пользуется походка палочника, поскольку она подразумевает боковую симметрию управления конечностями. Другая схема управления на основе лучевой симметрии (походка паука) является более сложной в плане реализации, поэтому используется гораздо реже. Такие роботы как правило обладают многоуровневой структурой шаговых опор, которая включает в себя несколько шарнирных соединений с разнонаправленным крутящим моментом, а также тензометрический датчик для определения усилия воздействия на поверхность и модуль первичной обработки данных о пространственном положении:
Работа таких конечностей даже в миниатюрном исполнении требует больших энергетических затрат и значительной вычислительной мощности центрального процессора.
Из не бионических платформ можно выделить роботов-триподов с параллельной кинематикой компенсаторного типа, а также ортогонально-поворотные шагающие платформы. Кроме того, большую популярность в последнее время приобрели гибридные колёсно-шагающие роботы за счёт своей высокой проходимости и большой скорости передвижения на пересечённой местности.
Построение шагающих роботизированных платформ помимо выбора кинематической схемы движения подразумевает решение следующего круга задач:
1. Стабилизация положения в процессе движения, которая осуществляется за счёт установки инерциальных измерительных модулей (IMU) в составе гироскопов и акселерометров.
Инерциальные измерительные модули (IMU)
2. Распознавание окружающей обстановки и обход препятствий при помощи средств технического зрения, а также ультразвуковых и лазерных датчиков.
3. Синхронизация движения шаговых опор и его функциональная адаптация, которая в значительной степени зависит от вычислительных возможностей блока управления.
Перспективные роботизированные платформы должны будут отвечать требованиям полной автономности, которая включает в себя не только самоуправление на основе искусственного интеллекта, но и многоагентную навигацию (групповое пространственное взаимодействие), а также энергетическую независимость. Второй особенностью роботизированных платформ будущего должна стать способность к самовыживанию, подразумевающая наличие алгоритмов самоадаптации к изменениям, самообучение новым поведенческим сценариям и самовосстановление после повреждений. Всеми этими качествами могут обладать биогибридные системы на основе искусственной жизни.