DOI: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-1106-1114


УДК 621.01, 621.837.31

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БИОИНСПИРИРОВАННОГО МЕХАНИЗМА НОГИ ГАЛОПИРУЮЩЕГО РОБОТА-ГЕПАРДА

Борисов И.И., Колюбин С.А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Борисов И.И., Колюбин С.А. Энергетический анализ биоинспирированного механизма ноги галопирующего робота-гепарда // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 1106–1114. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-1106-1114


Аннотация
Предмет исследования. Представлены результаты исследования методов проектирования локомоционных роботов на примере создания высокоскоростного, энергоэффективного робота-гепарда, способного перемещаться по пересеченной местности. Рассмотрен энергетический анализ механизма бедра ноги робота, принцип работы которого основан на резонансе гибкого элемента, вызванного автоколебаниями инерционной массы. Разработанная конструкция рассмотрена в виде модели перевернутого пружинного маятника, гибкий элемент которого необходим для обеспечения гармонического поведения тела робота, стабильного взаимодействия с поверхностью пола, поглощения ударной силы и рекуперации энергии перемещения. Метод. При проектировании биоинспирированных робототехнических устройств предложено использовать методы биомиметики, которые заключаются в воспроизведении уникальных качеств и характеристик живых систем, а не только в имитации внешнего вида. Представленная конструкция имитирует динамику ноги прыгающего животного благодаря гармоническому характеру перемещения, вызванного вынужденной периодической силой инерции массы тела робота. Гармоническое усилие, вызывающее автоколебания, выведено с помощью уравнения динамики Лагранжа. Приведено обобщенное описание динамики робота в виде структуры Пуассона, используемой при представлении системы при помощи порт-Гамильтонового подхода. Основные результаты. Получены временные зависимости обмена энергиями и мощностями: для пружинного маятника при наличии и отсутствии внешней возбуждающей силой; механизма бедра, названного «минитаур» при наличии и отсутствии внутренней инерционной силы, вызывающей автоколебания инерционной массы тела робота в режиме прыжка на месте. Представлены графики зависимостей коэффициента затрат энергии на перемещение от конфигурации механизма и жесткости пружины при беге. Практическая значимость. Представленный анализ необходим для определения количества энергии в системе, выявления способов сохранения энергетического бюджета, причин его расходования и способов восполнения.

Ключевые слова: галопирующий робот, энергетический анализ машин, энергоэффективность

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. Bertram J.E.A., Gutmann A. Motions of the running horse and cheetah revisited: fundamental mechanics of the transverse and rotary gallop // Journal of the Royal Society Interface. 2009. V. 6. N 35. P. 549–559. doi: 10.1098/rsif.2008.0328
  2. Wanders I., Folkertsma G.A., Stramigioli S. Design and analysis of an optimal hopper for use in resonance-based locomotion // Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2015). 2015. P. 5197–5202. doi: 10.1109/ICRA.2015.7139923
  3. 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.
  4. Park I.W., Kim J.-Y., Lee J., Oh J.-H. Mechanical design of humanoid robot platform KHR-3 (KAIST humanoid robot 3: HUBO) // Proc. 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots. 2005. P. 321–326. doi: 10.1109/ICHR.2005.1573587
  5. Duindam V., Stramigioli S. Modeling and Control for Efficient Bipedal Walking Robots: A Port-Based Approach. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. 214 p. doi: 10.1007/978-3-540-89918-1
  6. 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
  7. 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
  8. Cotton S., Olaru I.M.C., Bellman M., Van Der Ven T., Godowski J., Pratt J. FastRunner: A fast, efficient and robust bipedal robot. concept and planar simulation // Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2012). 2012. P. 2358–2364. doi: 10.1109/ICRA.2012.6225250
  9. Folkertsma G.A., Kim S., Stramigioli S. Parallel stiffness in a bounding quadruped with flexible spine // Proc. 25th IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2012). 2012. P. 2210–2215. doi: 10.1109/IROS.2012.6385870
  10. 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, ICRA'04. 2004. N 5. P. 4656–4661.
  11. Folkertsma G.A. Energy-based and biomimetic robotics. University of Twente, 2017. doi: 10.3990/1.9789036543163
  12. Folkertsma G.A., van der Schaft A.J., Stramigioli S. Morphological computation in a fast-running quadruped with elastic spine // IFAC-PapersOnLine. 2015. V. 48. N 13. P. 170–175. doi: 10.1016/j.ifacol.2015.10.234
  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


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика