Роботы с ногами — это тип мобильных роботов , которые используют шарнирные конечности, такие как механизмы ног , для обеспечения передвижения . Они более универсальны, чем колесные роботы, и могут преодолевать самые разные местности, хотя эти преимущества требуют большей сложности и энергопотребления. Роботы с ногами часто имитируют животных с ногами, таких как люди или насекомые, в качестве примера биомимикрии . [1] [2]
Походка и модель поддержки
Роботы с ногами, или шагающие машины , предназначены для передвижения по пересеченной местности и требуют управления приводами ног для поддержания баланса, датчиками для определения положения ног и алгоритмами планирования для определения направления и скорости движения. [3] [4] Периодический контакт ног робота с землей называется походкой ходунка .
Чтобы поддерживать передвижение, центр тяжести ходунков должен поддерживаться статически или динамически. Статическая поддержка обеспечивается за счет того, что центр тяжести находится внутри опорной схемы, образованной ногами, соприкасающимися с землей. Динамическая поддержка обеспечивается за счет сохранения траектории центра тяжести таким образом, чтобы его можно было перемещать силами одной или нескольких его опор. [5]
Типы
Роботов с ногами можно разделить на категории по количеству используемых ими конечностей, что определяет доступную походку . Многоногие роботы, как правило, более устойчивы, а меньшее количество ног обеспечивает большую маневренность.
Одноногий
Одноногие роботы или пого-палки используют для навигации подпрыгивающие движения. В 1980-х годах Университет Карнеги-Меллон разработал одноногого робота для изучения баланса. [6] Другой пример – SALTO в Беркли . [7] [8] [9] [10]
Двуногие или двуногие роботы демонстрируют двуногое движение . Таким образом, они сталкиваются с двумя основными проблемами:
контроль устойчивости , который относится к балансу робота, и
управление движением , которое относится к способности робота двигаться.
Контроль устойчивости особенно затруднен для двуногих систем, которые должны сохранять равновесие в направлении вперед-назад даже в состоянии покоя. [1] Некоторые роботы, особенно игрушечные, решают эту проблему с помощью больших ножек, которые обеспечивают большую устойчивость и одновременно снижают мобильность. Альтернативно, более продвинутые системы используют датчики, такие как акселерометры или гироскопы, для обеспечения динамической обратной связи, приближающейся к балансу человеческого существа. [1] Такие датчики также используются для контроля движения и ходьбы. Сложность этих задач поддается машинному обучению . [2]
Простое двуногое движение можно аппроксимировать катящимся многоугольником , длина каждой стороны которого соответствует длине одного шага. По мере того как длина шага становится короче, число сторон увеличивается и движение приближается к круговому. Это связывает движение на двух ногах с движением на колесиках как ограничение длины шага. [2]
Четвероногий робот BigDog разрабатывался как мул, способный преодолевать труднопроходимую местность.
Четвероногие или четвероногие роботы демонстрируют четвероногое движение . Они выигрывают от повышенной устойчивости по сравнению с двуногими роботами, особенно во время движения. На малых скоростях четвероногий робот может перемещать только одну ногу за раз, обеспечивая устойчивость штатива. Четвероногие роботы также выигрывают от более низкого центра тяжести, чем двуногие системы. [1]
Четвероногие роботы включают в себя:
Серия TITAN, разрабатываемая с 1980-х годов лабораторией Хиросе-Йонеда. [1]
Динамически стабильный BigDog , разработанный в 2005 году компанией Boston Dynamics, Лабораторией реактивного движения НАСА и полевой станцией Конкорд Гарвардского университета. [12]
Новый мини-робот-гепард от MIT, переворачивающийся назад
Aliengo [14] от Unitree Robotics
Стэнфордский Пуппер [15]
Роботы Open Dynamic Robot Initiative с 8DOF и 12DOF [16] [17]
Боткэт-робот с подвижным позвоночником [18] [19]
Робот «Гепарденок» из Лаборатории биоробототехники [20] [21]
Робот Онцилла из Лаборатории биоробототехники (открытый исходный код) [22] [23]
Робот Морти из группы Dynamic Locomotion [24] [25]
Медоед от MAB Robotics [26]
Сван М2 от xTerra Robotics [27]
Шестиногий
Шестиногие роботы, или гексаподы , движимы стремлением к еще большей устойчивости, чем двуногие или четвероногие роботы. Их конечный дизайн часто имитирует механику насекомых, и их походку можно отнести к аналогичной категории. К ним относятся:
Волновая походка: самая медленная походка, при которой пары ног движутся «волной» сзади вперед.
Походка на штативе: немного более быстрый шаг, при котором одновременно движутся три ноги. Остальные три ноги служат устойчивым штативом для робота. [1]
Odex, гексапод весом 375 фунтов, разработанный Odetics в 1980-х годах. Odex отличился бортовыми компьютерами, которые контролировали каждую ногу. [6]
Чингисхан, один из первых автономных шестиногих роботов, был разработан в Массачусетском технологическом институте Родни Бруксом в 1980-х годах. [1] [28]
Восьминогие роботы вдохновлены пауками и другими паукообразными, а также некоторыми подводными ходоками. Они обладают наибольшей стабильностью, что позволило добиться некоторых первых успехов с роботами на ногах. [1]
T8X, коммерчески доступный робот, предназначенный для имитации внешнего вида и движений паука. [29]
Гибриды
Некоторые роботы используют комбинацию ног и колес. Это обеспечивает машине скорость и энергоэффективность передвижения на колесах, а также мобильность передвижения на ногах. Одним из примеров является Handle компании Boston Dynamics , двуногий робот с колесами на обеих ногах. [30]
^ abcdefghi Бекей, Джордж А. (2005). Автономные роботы: от биологического вдохновения к внедрению и управлению . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-02578-2.
^ abc Ван, Линфэн.; Тан, КЦ; Чу, Чи Мэн. (2006). Эволюционная робототехника: от алгоритмов к реализациям . Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific Pub. ISBN978-981-256-870-0.
^ С.М. Сонг и К.Дж. Уолдрон, Машины, которые ходят: автомобиль с адаптивной подвеской , MIT Press, 327 стр.
^ Дж. Майкл Маккарти (март 2019 г.). Кинематический синтез механизмов: проектный подход. МДА Пресс.
^ М. Х. Райберт, Балансирующие ножные роботы . Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 1986.
^ Аб Бриттон, Питер (сентябрь 1984 г.). «Разработка нового поколения шагающих машин». Популярная наука . Том. 225, нет. 3. С. 67–69.
^ Израиль, Бретт (6 декабря 2016 г.). «Робот, прыгающий через стену, является самым маневренным по вертикали из когда-либо созданных». Новости Беркли . Проверено 7 июня 2017 г.
^ Байрон Спайс. «BowGo! Исследователи робототехники CMU разрабатывают пого-палку, которая целится высоко» . 2001.
^ Лив. «Взрывной робот Pogo Stick перепрыгивает через 25-футовые препятствия». Архивировано 6 августа 2011 г. в Wayback Machine , 2009 г.
^ Суббараман, Нидхи. 2013. «Герой-гуманоид Валькирия — новейший двуногий робот НАСА». Архивировано 22 марта 2018 г. в Wayback Machine NBC News. 11 декабря.
^ «BigDog - самый продвинутый робот повышенной проходимости на Земле» . Бостон Динамикс. Архивировано из оригинала 18 мая 2017 г. Проверено 7 июня 2017 г.
^ «ANYbotics | Автономные роботы на ногах для промышленного контроля» . ЭНИботикс .
^ Гриммингер, Ф., Медури, А., Хадив, М., Вирек, Дж., Вютрих, М., Наво, М., Беренц, В., Хайм, С., Видмайер, Ф., Флайольс, Т. , Фиене Дж., Бадри-Спровиц А. и Ригетти Л. (2020). Открытая модульная архитектура робота с управлением крутящим моментом для исследования движения ног. Письма IEEE по робототехнике и автоматизации, 5 (2), 3650–3657. https://doi.org/10.1109/LRA.2020.2976639
^ "Робот Бобкэт". Робот Bobcat, Лаборатория биоробототехники EPFL .
^ Хорамшахи М., Спровиц А., Тулеу А., Ахмадабади М.Н. и Эйспирт А. (2013). Преимущества активного движения позвоночника с поддержкой ограничивающего движения с помощью небольшого послушного четвероногого робота. Материалы Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации 2013 г., 3329–3334. https://doi.org/10.1109/ICRA.2013.6631041
^ Спровиц А., Тулеу А., Веспиньяни М., Аджаллуян М., Бадри Э. и Эйспирт А. (2013). К динамическому передвижению рысью: проектирование, управление и эксперименты с детенышем гепарда, податливым четвероногим роботом. Международный журнал исследований робототехники, 32 (8), 932–950. https://doi.org/10.1177/0278364913489205
^ Шпровиц, А.Т., Тулеу, А., Аяллуян, М., Веспиньяни, М., Мёкель, Р., Экерт, П., Д'Хэне, М., Дегрейв, Дж., Нордманн, А., Шраувен, Б. ., Стейл Дж. и Эйспирт А.Дж. (2018). Робот Oncilla: универсальный четвероногий исследовательский робот с открытым исходным кодом и совместимыми с пантографом ногами. Границы робототехники и искусственного интеллекта, 5. https://doi.org/10.3389/frobt.2018.00067.
^ "Четвероногий робот Морти" . Группа динамического передвижения, Институт интеллектуальных систем Макса Планка .
^ Руперт, Ф., и Бадри-Спровиц, А. (2022). Обучение пластическому согласованию динамики робота в генераторах центральных шаблонов с обратной связью. Природный машинный интеллект, 4 (7), 652–660. https://doi.org/10.1038/s42256-022-00505-4
^ МАБ Робототехника. «Сайт компании МАБ Робототехника».
^ xTerra Робототехника. «xTerra Robotics India».
^ Брукс, Р. (1989). Робот, который ходит: новые модели поведения тщательно разработанной сети. Нейронные вычисления 1 (2): 253–262; перепечатано в Р. Бруксе, « Кембрийский интеллект: ранняя история нового искусственного интеллекта» (Кембридж, Массачусетс: MIT Press), гл. 2.
^ Уолш, Майкл (11 февраля 2017 г.). «Гигантские роботы-пауки скоро будут править нами всеми». Нердист . Архивировано из оригинала 15 февраля 2017 г. Проверено 7 июня 2017 г.
^ Акерман, Эрико Гиззо и Эван (27 февраля 2017 г.). «Boston Dynamics официально представляет своего робота на колесах: «лучшее из обоих миров»» . IEEE Spectrum: Новости технологий, техники и науки . Проверено 7 июня 2017 г.
