МНОГОЗВЕННЫЕ МОБИЛЬНЫЕ РОБОТЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ, НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье дана классификация для многозвенных мобильных роботов, рассмотрены примеры таких устройств, выделены их преимущества и недостатки, определены тенденции по развитию.

ABSTRACT

This article provides a classification of multi-link mobile robots, examines examples of such devices, highlights their advantages and disadvantages, and identifies development trends.

Ключевые слова: многозвенный робот, мобильный робот, пассивные колеса, звено, соединение, биомеханика.

Keywords: multi-link robot, mobile robot, passive wheels, link, joint, biomechanics.

Мобильная робототехника – чрезвычайно быстроразвивающееся направление. Роботы, способные перемещаться в пространстве применяются повсеместно от промышленности до исследования других планет. С развитием технологий такие роботы становятся все более автономными и интеллектуальными, что открывает новые возможности для их использования в самых различных сферах. Классифицируются мобильные роботы по способу управления, устройству передвижения, рабочей среде, с которой взаимодействует робот и т. д. На сегодняшний день наиболее популярные по устройству передвижения мобильные роботы – колесные. Обычно это четырех или шестиколесная платформа, которая движется подобно автомобилю. Яркими примерами таких устройств являются робот-доставщик Яндекса или робот MiR250, применяемый для разгрузочно-погрузочных работ и транспортировки грузов в складских помещениях. Однако такие роботы не всегда справляются с движением в завалах, на пересеченной местности или по рыхлому песку. В таких условиях гораздо более подходящим решением становятся многозвенные мобильные роботы.

Многозвенный мобильный робот – устройство, состоящее из набора звеньев, обычно от 3 до 20, которое перемещается за счет изменения своей конфигурации. Данные механизмы по своей структуре и способам передвижения создаются подобными таким существам как змеи, гусеницы и пр. Благодаря своей гибкости и способности адаптироваться к различным поверхностям за счет выбора правильной походки могут преодолевать препятствия, на которых традиционные колесные и гусеничные модели будут не так эффективны [1, с. 21]. Также следует отметить, что при неисправности одного сегмента подобного механизма в большинстве случаев его можно быстро заменить или же удалить из структуры робота, если это не повлияет на его функциональные характеристики, что позволяет упрощать процесс технического обслуживания устройства и делает его более надежным в процессе эксплуатации. Сфер применения настоящих роботов достаточно много. Они могут использоваться в спасательных операциях [2, с. 1], инспекции трубопроводов, задействоваться в работах, в которых участие человека невозможно или опасно для его жизни, например, в условиях повышенной радиации, применятся в задачах разведки и исследования местности и т. д.  Для более удобного анализа многозвенных мобильных роботов можно разделить их на три основные категории:

• роботы с пассивными колесами;
• роботы с активными колесами;
• бесколесные роботы.

Далее рассмотрим каждую из них подробнее, что поможет лучше понять их особенности и области применения.

Многозвенные мобильные роботы с пассивными колесами

Устройства такого типа представляет собой последовательность сегментов, соединенных между собой активными шарнирами. Существует два варианта расположения сочленений относительно друг друга. В том случае, если оси шарниров параллельны, сегменты робота совершают перемещения в одной плоскости, в случае если же соединения звеньев располагаются так, что ось каждого расположена ортогонально осям последующему и предыдущему, сегменты совершают пространственные движения. От расположения звеньев относительно друг друга зависят кинематические возможности робота. Каждое звено таких роботов оснащается пассивными колесами, чтобы предотвратить боковое проскальзывание и обеспечить легкость движения робота в направлении движения. Колеса здесь имитирует брюхо змеи, которое выполняет те же функции. Для того, чтобы робот совершал перемещение по его телу проходит волна посредством поворотов звеньев на определенный угол в некоторой последовательности, соответствующей извивающейся походке реальной змеи.

Первый многозвенный мобильный робот, в котором применялся такой подход был именно с пассивными колесами. Он был построен в 1972 году японским ученым Шигео Хиросе, чьи научные интересы связаны с биомеханикой, и назван АCМ III (активный хордовый механизм) (рис. 1).

Рисунок 1. ACM III

Рассмотрим его подробнее, т.к. данная машина является хорошим примером многозвенного робота с пассивными колесами, оси сочленений которого параллельны. Устройство получилось в длину 2 м и состояло из 20 звеньев [3, с. 106]. Каждое звено приводилось в движение двигателем постоянного тока. Для отслеживания угла поворота вала двигателя и реализации обратной связи использовались потенциометрические датчики. Волна по сегментам передавалась следующим образом: сначала первый сегмент получает команду на поворот, спустя некоторое время первый сегмент получает уже вторую команду на поворот, а первая команда передается второму сочленению и т.д. Таким образом, происходит передача волны из начала в конец. Команды, передаваемые передатчиком, формировал генератор синусоидальных волн. Для осуществления, например, поворота была необходимость в корректировке параметров волны, которая осуществлялась вручную оператором. Главной целью конструирования такого ползающего механизма была реализация извивающегося движения. Стоит подчеркнуть, что роботы подобной конструкции способны перемещаться только по гладкой ровной поверхности и не предназначены для задач, описанных выше. На сегодняшний день разработка многозвенных мобильных устройств с пассивными колесами аналогичных тому, которого создал Хиросе – это домашние или учебные проекты, в которых происходит знакомство с принципами построения многозвенных мобильных роботов и отработка извивающейся походки. В сети Интернет достаточно много примеров, построенных на базе Arduino или даже из образовательного конструктора Lego Mindstorms EV3.

Роботы с пассивными колесами, у которых кинематическая схема строится по такому принципу, что ось каждого соединения звеньев перпендикулярна осям соседних соединений предназначены для преодоления высоких препятствий, подъемов, лестниц и т.д. Когда устройство движется по ровной поверхности, задействуется тот же механизм движения, что и в роботе Хиросе, однако при прохождении неровностей и подъемов устройство может приподнимать свои части благодаря данному расположению звеньев относительно друг друга. Подобная машина была спроектирована и построена в Университете Джона Хопкинса (США) (рис. 2).

Рисунок 2. Робот Университета Джона Хопкинса

Длина робота около 1 м, состоит из 19 звеньев, оснащенных серводвигателями. Колеса свободно вращаются только в одном направлении. Для того, чтобы блокировать их вращение в обратную сторону к ним были добавлены храповые механизмы [4, с. 3]. Помимо этого, колеса крепятся к сегменту через систему рычаг-пружина. Такая подвеска нужна для того, чтобы колеса сохраняли хороший контакт с поверхностью независимо от того, как движется тело робота, а также для лучшей адаптации к изменению рельефа. Для проверки возможности прохождения роботом препятствий были проведены эксперименты, в которых устройство поднималось на ступеньку. Определение положения каждого звена в пространстве осуществлялось с помощью системы камер и маркеров ArUco, которые были закреплены на каждом звене робота и на ступени. В зависимости от положений сегментов просчитываются дальнейшие необходимые изменения относительных углов между ними и посылаются команды на серводвигатели. Подобное устройство достаточно интересно с практической точки зрения и может найти применение в описанных ранее задачах.

Многозвенные мобильные роботы с активными колесами

Эти устройства обладают колесами, которые приводятся в движение электромоторами. В данном случае робот достигает цели перемещения как за счет вращения колес, так и за счет изменения своей конфигурации. Существуют разные подходы к разработке таких устройств. Есть модели, у которых активны только колеса, а сочленения пассивны [5], есть с активными и колесами, и сочленениями, а также устройства с комбинированным набором активных и пассивных соединений. Кроме того, роботы могут оборудоваться различными типами колес как стандартными колесами, так и всенаправленными.

Одним из таких роботов является AIRo-5.1 (рис. 3), который был разработан на кафедре робототехники Университета Рицумейкан (Япония) для инспекции трубопроводов. Это четырехзвенная система длиной 0.51 м и весом без кабеля 2.37 кг, у которой среднее сочленение является активным, а два остальных – пассивными [6]. Пассивные соединения сгибаются торсионными пружинами. Вдобавок устройство обладает тремя парами активных всенаправленных колес, обеспечивающими высокий коэффициент трения и двумя парами пассивных колес на концах крайних звеньев робота, каждое из которых выполнено в виде полусфер. Эти колеса не приводятся в движение, но вращаются вокруг оси звена, чтобы робот имел возможность вращаться в самой трубе.

Рисунок 3. AIRo-5.1

Такая конструкция хорошо подходит для перемещения в трубах. Робот принимает V-образную конфигурацию, тем самым опираясь на стенки трубы и движется за счет вращения всенаправленных колес. Таким образом, может проходить как горизонтальные, так и вертикальные участки, а также адаптироваться к изменению диаметра трубы.

Для отслеживания угла поворота в активном соединении установлен потенциометр. 32-битный микроконтроллер ARM (Cortex-M4) используется для управления двигателями и связи с компьютером, а CAN-шина применяется для передачи команд и получения сигналов от робота. Целевые сигналы, например, движение вперед и назад, вращение вокруг оси трубы, остановка передаются через компьютер и преобразователь сигналов и питания (с USB на CAN). Скорость вращения колес изменяется путем регулирования скважности ШИМ. Угол активного шарнира корректируется ПИД-регулятором. Также робот оборудован светодиодом для подсветки и камерой, обеспечивающими визуализацию диагностируемого участка.

Данное устройство показывает эффективность применения многозвенных мобильных роботов для инспекции труб.  

Бесколесные многозвенные мобильные роботы

Бесколесные многозвенные мобильные роботы наиболее популярные представители рассматриваемых в работе устройств. Типичная структура таких роботов – взаимное расположение звеньев относительно соседних ортогонально. Такое строение тела дает возможность выполнять различные ползающие походки. Эти роботы не только компактны, но и универсальны в передвижении: они могут карабкаться по столбам, перемещаться в ограниченном пространстве, преодолевать лестницы и неровную местность. Обычно такие роботы состоят из одинаковых сегментов, что позволяет регулировать длину робота, а также использовать одинаковые запчасти. 

Примерами бесколесных многозвенных мобильных роботов могут служить змееподобный робот Университета Карнеги-Меллона (США) (рис. 4а) и ЗМЕЕЛОК-3М (рис. 4б), разработанный ЦНИИ РТК (Россия). Однако стоит отметить, что отечественная модель обладает двухстепенными шарнирами [7].

Рисунок 4. Бесколесные многозвенные мобильные роботы

Рассмотрим подробнее робота Университета Карнеги-Меллона, так как кинематическая схема данного механизма встречается наиболее часто на практике. Робот состоит из 16 сегментов [8]. Корпус модулей выполнен из алюминия с защитным анодированием, а степень защиты IP66 позволяет ему выдерживать попадание воды и пыли. Каждый модуль приводится в движение мотором Maxon EC 20, который через редукторную систему развивает крутящий момент до 7 Нм. Головной модуль оснащён HD-камерой с сапфировым стеклом для защиты объектива и четырьмя светодиодами для работы в условиях слабой освещённости. Хвостовой модуль включает разъём для кабеля с защитой от нагрузок и встроенным токосъёмным кольцом, позволяющим роботу свободно вращаться без перекручивания проводов. Каждый модуль обладает системой датчиков, состоящей из 3-х осевого акселерометра, 3-х осевого гироскопа и 3-х осевого магнитометра. Робот перемещается за счет сложения двух волн, которые формируются на четных и нечетных сочленениях. Параметры волн выбираются в зависимости от походки.

Недостатки многозвенных мобильных роботов

При всех преимуществах и универсальности многозвенных мобильных роботов, о которых было сказано выше они обладают рядом недостатков, а именно:

1. Сложность управления: координация множества степеней свободы требует продвинутых алгоритмов управления;
2. Ограниченная скорость: рассматриваемые роботы обычно медленнее колесных и шагающих;
3. Высокая сложность конструкции: большое количество приводов, датчиков и сенсоров увеличивает стоимость устройства, а также требуется защита от влаги и пыли ввиду особенностей применения;
4. Грузоподъемность: подобные механизмы совершенно не подходят для перевозки какой-то полезной нагрузки.

Перспективы развития

На текущий момент с развитием новых технологий исследователи, занимающиеся разработкой многозвенных мобильных роботов, продолжают повышать их адаптивность и автономность. Например, в работе [9] авторы предлагают использовать LSTM-нейросеть для адаптивного управления роботом, потому что обычные методы на основе заранее заданных синусоидальных походок не справляются с изменяющимися условиями, например, при подъеме по сужающейся трубе. LSTM анализирует текущие углы сочленений робота, предсказывает их изменения и автоматически корректирует движение, позволяя роботу гибко подстраиваться под среду без необходимости настраивать параметры вручную. Это делает управление более подходящим для реальных задач, где условия постоянно меняются. Помимо этого, разработка новых компактных и одновременно емких источников питания позволит повысить время работы устройства, а также, в некоторых случаях, избавиться от провода, питающего систему, что сильно расширит его возможности.

Заключение

Многозвенные мобильные роботы открывают новые возможности в робототехнике благодаря уникальной конструкции, позволяющей эффективно перемещаться в ограниченных пространствах. Их свойства и особенности, а также разнообразие типов (бесколесные, с активными/пассивными колесами) позволяет подбирать оптимальное решение для разных задач. С развитием технологий, включая интеллектуальные системы управления и компактные источники питания, эти роботы станут еще более автономными и перспективными для применения в критически важных сферах.

Список литературы:

1. Карпенко А.П. Робототехника и системы автоматизированного проектирования: Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 73 с.
2. Wright C., Johnson A., Peck A., McCord Z., Naaktgeboren A., Gianfortoni P., Gonzalez-Rivero M., Hatton R., Choset H. Design of a Modular Snake Robot // Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - San Diego, CA, USA: 2007. - С. 2609-2614.
3. Хиросэ Ш. Бионические роботы: змееподобные мобильные роботы и манипуляторы. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. - 272 с.
4. Fu Q., Li C. Robotic modelling of snake traversing large, smooth obstacles reveals stability benefits of body compliance // Royal Society Open Science. – 2020.
5. Yuki Takagi, Masato Ishikawa, Koichi Osuka Development and Control Experiment of a Snake-Like Robot with Controllable Side-Thrust Links // IFAC PapersOnLine. — 2019.— № 52(15). — С. 229–234.
6. Kakogawa A., Ma S. A Multi-link In-pipe Inspection Robot Composed of Active and Passive Compliant Joints // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). -, Las Vegas, NV, USA: 2020. - С. 6472-6478.
7. Иванов А. А., Шмаков О.А., Демидов Д.А. Экспериментальное исследование змеевидного робота «ЗМЕЕЛОК-3» // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2013.— № 1.— С. 132–138.
8. Rollinson D. Control and Design of Snake Robots. — Pittsburgh: School of Computer Science Carnegie Mellon University, 2014.— P. 203.
9. Ouyang S., Wei W. Flexible Adaptive Control of Snake-Like Robot Based on LSTM and Gait // Journal of Physics: Conference Series. - Purpose-Led Publishing, 2020. - С. 1-8.