Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-832-839
УДК 621.01, 621.837.3
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ МЕХАНИЗМА НОГИ ГАЛОПИРУЮЩЕГО РОБОТА
Читать статью полностью
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Борисов И.И., Монич Д.С., Колюбин С.А. Разработка метода геометрического синтеза и параметрической оптимизации механизма ноги галопирующего робота // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 832–839. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-832-839
Аннотация
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.
Ключевые слова: шагающие роботы, синтез механизмов, энергоэффективность, четырехногие роботы, оптимизация механизмов
Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Университета ИТМО (проект № 418233). Авторы выражают особую благодарность Стефано Страмиджиоли за оказанную помощь в данной работе.
Список литературы
Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Университета ИТМО (проект № 418233). Авторы выражают особую благодарность Стефано Страмиджиоли за оказанную помощь в данной работе.
Список литературы
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.
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.
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.