Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения

Актуальность темы

Изучению способности биологических существ передвигаться с помощью шагания посвящены работы [1−6]. В работах [7−12] исследованы аспекты, связанные с технической реализацией шагающих машин и построением их лабораторных и полунатурных макетов. Актуальность этих исследований обусловлена тем, что существует ряд областей практического применения мобильных роботов, в которых проходимости колесных машин недостаточно для решения возникающих задач. Это, например, движение в среде с хаотически расположенными препятствиями больших размеров (завалы, разрушенные строения) — движение при условии минимизации контакта с опорой (ходьба по тундре, по болотам, сельскохозяйственные работы, разминирование дорог) — движение по трубам, по стержневым конструкциямдвижение с минимальными повреждениями поверхностного слоя почвы и др. В работах, посвященных алгоритмам построения движений шагающих машин, есть естественная тенденция к усложнению опорных поверхностей при различных условиях, накладываемых на конструкцию робота.

Шестиногие шагающие машины могут обеспечить достаточный запас статической устойчивости на всех стадиях движения по горизонтальной плоскости [7]. Разработки макетов таких машин были направлены на исследование возможности движения по опорной поверхности небольшого наклона со сравнительно малыми неровностями. Указанный тип поверхностей позволяет сохранять горизонтальную ориентацию корпуса робота [7−11], что позволяет обеспечить комфортабельность движения. Вместе с тем преодоление значительного количества препятствий невозможно при сохранении горизонтальной ориентации корпуса. Шагающие машины с сочлененным корпусом, так же как машины, способные совершать прыжки [7, 13, 14], позволяют отказаться от требования, чтобы неровности опоры были малыми. При этом приемлемая высота препятствий оказывается сравнимой с максимальной высотой машины. Преодолеть ограничения на высоту препятствий в принципе возможно при использовании шагающих машин с вакуумными присосками в стонах [15, 16]. Эти машины способны двигаться по вертикальным стенам, и им необязательно обеспечивать статическую устойчивость. Вместе с тем они нуждаются в достаточно сложных устройствах для создания необходимого уровня вакуума в присосках.

Очевидно, что в некоторых случаях шагающие машины имеют принципиальную возможность двигаться вдоль вертикальных поверхностей значительной высоты, используя только кулоновское трение в точках опоры. В наиболее трудных ситуациях при таком движении возникает необходимость преодоления веса робота посредством только сил трения. В качестве примера опорной поверхности такого типа, рассмотренной в данной работе, может служить вертикальный цилиндрический столб подходящего диаметра. Чтобы на него забраться, робот должен сжать столб и тем самым создать достаточную силу трения. Наличие шести ног облегчает задачу сжатия столба без потери равновесия, поскольку робот при движении может использовать симметричную следовую последовательность [17−21].

Способность робота передвигаться по сложной местности можно выработать, последовательно обучая его преодолевать как изолированные препятствия, так и их разумные комбинации. Такой подход широко применяется для тренировок альпинистов, пожарных, спасателей и в других прикладных видах спорта. В данной работе разработан метод формирования движения при залезании на высокий уступ с использованием стоящего рядом с ним вертикального столба [22−24], и последующем переходе на другой такой же уступ по узкому горизонтальному брусу [25]. Высота каждого из уступов столь велика, что как изолированные препятствия они оказываются для робота непреодолимыми. Вместе с тем способность робота карабкаться на столб и далее на его вершину, а также разработанный алгоритм движения по узкому брусу решают проблему преодоления указанной комбинации препятствий.

Кроме того, рассмотрена задача о залезании на вертикальный прямой угол (угол дома) [26, 27].

Актуальность перечисленных задач связана с тем, что универсальных алгоритмов построения движений шагающих роботов в произвольной среде пока не существует. Рассмотрение типичных препятствий и их комбинаций расширяет множество типов опорных поверхностей, по которым шагающие машины могут передвигаться.

Цель работы. Разработка алгоритмов преодоления шестиногим шагающим роботом простейшей полосы препятствий при помощи кулоновско-го трения. Полоса препятствий состоит из вертикального цилиндрического столба, вплотную к нему стоящего высокого уступа, горизонтального бруса, переброшенного на другой вертикальный устуи. Исследование предельных случаев соотношения высот столба и уступов. Разработка алгоритма за-лезания на вертикальный прямой угол при тех же условиях. Определение технических характеристик робота, необходимых для выполнения построенных движений.

Методика исследований. В рамках программного комплекса Универсальный механизм [28, 29] разработана виртуальная компьютерная среда, включающая математическую модель: динамики роботапрепятствийвзаимодействия робота с препятствиями, системы реализации требуемых движений. Алгоритмы построения движений формировались на основе принципов сервоуправления [30] и отрабатывались с учетом результатов численного моделирования.

Достоверность результатов определяется полнотой и корректностью выбранной математической модели робота и препятствий, результатами численного моделирования, результатами независимого тестирования работы комплекса Универсальный механизм.

Научная новизна диссертации заключается в предложенных и отработанных средствами компьютерного моделирования в виртуальной среде алгоритмах формирования навыков преодоления шестиногим шагающим роботом типовых высоких препятствий, соединенных в последовательность.

Теоретическая и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов управления шестино-гими шагающими роботами, решающих большой спектр прикладных задач как высокопроходимое транспортное средство. Составные части разработанных алгоритмов представляют самостоятельную ценность и могут быть использованы как типовые элементы при построении движений для преодоления препятствий других видов, отличных от рассмотренных в работе.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 36 наименований и три приложения. Работа изложена на 122 страницах текста, содержит 67 рисунков.

Заключение

Результаты компьютерного моделирования, представленные в настоящей диссертационной работе, получены с помощью специально сконструированной виртуальной среды, позволяющей экспериментировать с моделью динамики робота аналогично тому, как это можно делать в натурных экспериментах. В частности:

1. Конструктивно показано существование решения, удовлетворяющего сложным кинематическим и динамическим ограничениям, задачи о преодолении комбинации препятствий в виде столба и высокого уступа с использованием сил кулоновского трения с практически реализуемым коэффициентом трения, равным 1. Рассмотрены характерные случаи соотношения высот столба и уступа.

2. В задаче о залезании при помощи сил кулоновского трения шестиного-го робота на угол, имеющий раствор 7г/2, аналитически найдены значения реакций опоры в зависимости от относительного расположения точек опоры, корпуса и препятствия при условии симметричного и равномерного распределения нагрузок. Показано существование движения, решающего задачу при коэффициенте трения 1.1.

3. В задаче о ходьбе шестиногого робота по узкому горизонтальному брусу построено управление маховыми движениями средних ног, позволяющее стабилизировать положение робота на этапах потери статической устойчивости без нарушения кинематических и конструктивных ограничений.

4. Получены результаты компьютерного моделирования динамики робота при реализации им указанных маневров, свидетельствующие о принципиальной практической реализуемости построенного движения.