РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ МЕХАНИЗМА НОГИ ГАЛОПИРУЮЩЕГО РОБОТА

Предмет исследования. Представлены результаты геометрического синтеза кинематических схем механизмов бедра и всей ноги робота-гепарда, способного прыгать на месте и бегать с разной скоростью. В статье обоснована топология механизмов, даны описание принципа работы, характеристики и отличительные качества, заключающиеся в управляемой реконфигурации механизмов для изменения траектории точки контакта с полом, а также в использовании гибких элементов и звеньев переменной длины для обеспечения энергоэффективной локомоции. Метод. Структурная схема всей ноги робота-гепарда получена путем присоединения четырех подвижных звеньев к механизму бедра, имитируя большую и малую берцовые кости, плюсну и портняжную мышцу. Полученная структура декомпозирована на три составляющих механизма: «минитаур», двукоромысловый четырехзвенный лямбда механизм и коромысло-ползунный механизм. Методом крайних дискретных положений синтезированы кинематические схемы механизмов, в результате чего была получена кинематическая схема всей ноги с промежуточными положениями. Приведено описание алгоритма параметрической оптимизации и приведена целевая функция механизма бедра с помощью математического моделирования. Основные результаты. Получена кинематическая схема всей ноги робота-гепарда в первом приближении без учета динамики движения робота, расположения гибких элементов и их резонанса, необходимого для автоколебательного режима работы робота в целях достижения энергоэффективного перемещения. Приведены результаты моделирования динамики робота по синтезированной схеме. Получено стабильное поведение как при прыжке на месте, так и при беге. Практическая значимость. Исследование проведено в рамках разработки энергоэффективного четырехногого галопирующего робота-гепарда, осуществляющего рекуперацию энергии с помощью гибких элементов. Синтезированная кинематическая схема может быть использована для подробных анализов динамики, кинетостатики, рекуперации и определения потерь энергии при ударе о поверхность пола, а также конструирования и прототипирования опытного образца устройства.

1. Seok S., Wang A., Chuah M.Y., Hyun D.J., Lee J., Otten D.M., Lang J.H., Kim S. Design principles for energy-efficient legged locomotion and implementation on the MIT cheetah robot // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2015. V. 20. N 3. P. 1117–1129. doi: 10.1109/TMECH.2014.2339013
2. Seok S., Wang A., Chuah M.Y., Otten D., Lang J., Kim S. Design principles for highly efficient quadrupeds and implementation on the MIT Cheetah robot // Proc. 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA. 2013. P. 3307– 3312. doi: 10.1109/ICRA.2013.6631038
3. Bhounsule P.A., Cortell J., Ruina A. Design and control of ranger: an energy-efficient, dynamic walking robot // Adaptive Mobile Robotics — Proc. 15th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, CLAWAR 2012. 2012. P. 441–448. doi: 10.1142/9789814415958_0057
4. Sakagami Y., Watanabe R., Aoyama C., Matsunaga S., Higaki N., Fujimura K. The intelligent ASIMO: System overview and integration // Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2002. V. 3. P. 2478–2483. doi: 10.1109/IRDS.2002.1041641
5. Raibert M., Blankespoor K., Nelson G., Playter R. Bigdog, the rough- terrain quadruped robot // IFAC Proceedings Volumes. 2008. V. 41. N 2. P. 10822–10825. doi: 10.3182/20080706-5-KR-1001.01833
6. Duindam V., Stramigioli S. Modeling and control for efficient bipedal walking robots: A port-based approach. Springer, 2009. 214 p. (Springer Tracts in Advanced Robotics book series; V. 53). doi: 10.1007/978-3-540-89918-1
7. Tedrake R., Zhang T.W., Fong M.-F., Seung H.S. Actuating a simple 3D passive dynamic walker // Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004, ICRA’04. 2004. V. 5. P. 4656–4661.

doi: 10.1109/ROBOT.2004.1302452
8. McGeer T. Passive bipedal running // Proceedings of the Royal Society of London. B. Biological Sciences. 1990. V. 240. N 1297. P. 107–134. doi: 10.1098/rspb.1990.0030
9. Hurst J.W., Chestnutt J.E., Rizzi A.A. The actuator with mechanically adjustable series compliance // IEEE Transactions on Robotics. 2010. V. 26. N 4. P. 597–606. 
10. Hutter M., Gehring C., Bloesch M., Hoepflinger M.A., Remy C.D., Siegwart R. Star lETH: A compliant quadrupedal robot for fast, efficient, and versatile locomotion // Adaptive Mobile Robotics – Proc. 15th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, CLAWAR 2012. 2012. P. 483–490. doi: https://doi.org/10.1142/9789814415958_0062
11. Folkertsma G.A. Energy-based and biomimetic robotics. University of Twente, 2017. doi: 10.3990/1.9789036543163
12. Folkertsma G.A., Kim S., Stramigioli S. Parallel stiffness in a bounding quadruped with flexible spine // Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2012. P. 2210–2215. doi: 10.1109/IROS.2012.6385870
13. Snippe M. Cheetah robot leg mechanism: analysis, design and cost of transport. University of Twente, 2017.
14. Kenneally G., De A., Koditschek D.E. Design principles for a family of direct-drive legged robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2016. V. 1. N 2. P. 900–907. doi: 10.1109/LRA.2016.2528294
15. Тимофеев Г.А., Мусатов А.К., Попов С.А. Теория механизмов и механика машин. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 556 с.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License