МЕХАНИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КОЛЁСНО-ШАГАЮЩЕГО РОБОТА

​MECHANICAL STRUCTURE OF WHEEL-WALKING ROBOT

Wang Mingyang

magistracy, department of special robotics and mechatronics, Bauman University,

Russia, Moscow

Andrey Boshlyakov

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Technology, associate professor, Bauman University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Колесно-шагающий робот, обладающий преимуществами как высокой мобильности для колесных роботов, так и высокой способностью преодолевать препятствия для ножных роботов, представляет большую исследовательскую значимость. В этой статье рассматривается общая механическая структура колесно-шагающего робота и приводятся примеры нескольких представительных структурных схем. Затем анализируются и сравниваются различные структурные схемы для ног шагающего робота.

ABSTRACT

Wheeled-walking robot has the advantages of both high mobility of wheeled robot and high obstacle-crossing capability of footed robot, which has important research value. In this paper, the overall mechanical structure of wheeled walking robot is studied, and several representative structural solutions are exemplified. Then different structural solutions of the robot's legs are analyzed and compared.

Ключевые слова: колесно-шагающий робот, механическая структура.

Keywords: wheel-legged hybrid robot, mechanical structure.

Введение

Роботы классифицируются по способу передвижения на колесных, гусеничных и шагающих. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки одновременно [1].

Колеса колесных роботов прямо контактируют с землей, что снижает ударные нагрузки при движении и обеспечивает низкое потребление энергии и высокую скорость движения. Движение может выполняться с помощью управления только несколькими степенями свободы, но способность преодолевать препятствия очень низка.

Гусеничные роботы способны передвигаться по неровной и мягкой поверхности благодаря большой площади контакта с землей. Однако у них есть такие недостатки: они двигаются медленно, механически неэффективны и потребляют больше энергии, чем колесные роботы.

Шагающие роботы обладают характеристиками, которые не могут быть заменены колесными и гусеничными роботами, когда нужно преодолевать препятствия, и они имеют хорошую приспособляемость к среде и гибкость на пересеченной и сложной местности. Однако состояние движения ноги робота является дискретным и непостоянным. Скорость его движения низкая, потребляет много энергии, кроме того, требует сложной системы управления из-за загрузки слишком большого количества приводов.

Для улучшения характеристик мобильных роботов с точки зрения энергоэффективности и гибкости передвижения появились составные конфигурации различных форм мобильных роботов. Эти роботы обладают преимуществами не одного, а нескольких типов подвижных механизмов и имеют более широкий спектр применения. Наиболее известными из них являются колесно-шагающий робот.

Колесно-шагающий робот обладает преимуществами как колесных, так и шагающих роботов: передвижение на колесах по ровным поверхностям с высокой скоростью передвижения и энергоэффективностью; передвижение на ногах по неровным поверхностям с хорошими свойствами преодоления препятствий и высокой гибкостью движения [2]. Поэтому новые мобильные роботы, которые могут переключаться между колесным и ножным режимами, имеют широкие возможности применения и научную значимость.

1. Схема конструкции колёсно-шагающего робота

Колесно-шагающий робот сочетает в себе высокую энергоэффективность колесного движения с гибкостью ходьбы на ногах, что расширяет возможности применения и характеристики движения роботов. Основными областями применения являются военная оборона, разведка месторождений, исследование экзопланет, служба спасения, домашнее хозяйство и медицинская помощь. Ниже приведены четыре обычные механические формулы колёсных и ножных механизмов.

Во-первых, к корпусу колесного робота добавляются дополнительные механизмы ног. Механическая конструкция такого робота очень проста и позволяет выбрать соответствующую модель движения в зависимости от условий местности. Основным недостатком является большой вес робота из-за использования двух различных систем движения.

В Китайском университете науки и технологии (USTC) был разработан четырехколесный робот с четырьмя ногами HyTRo-I, который показан на Рис.  1 [3]. Каждая нога робота состоит из 3 механизмов вращения и 1 механизма перемещения. Робот имеет 2 приводных колеса и 2 ведомых колеса, приводные колеса установлены по бокам корпуса, а ведомые колеса установлены на передней и задней частях корпуса. Робот может достигать скорости до 2 м/с в режиме движения на колесах, способен преодолевать склоны 30° и вертикальные стены высотой до 310 мм. Робот переключается между колесным и ножным режимами с помощью механизма деформации ног.

Рисунок1. Робот HyTRo-Ⅰ

Во-вторых, несколько маленьких ножных механизмов образуют более большое колесо для колесно-шагового движения.

Ван Яньдун из Тяньцзиньского университета разработал восьмиколесного робота-ногу со стержневой артикуляцией, как показано на Рис. 2. Робот состоит из четырех двухколесных ножных механизмов, которые сконструированы путем соединения двух трехспицевых конструкций с помощью параллелограммного механизма, что требует только одного привода для достижения движения двухколесного ножного механизма [4]. Максимальная длина робота составляет 480 мм x 360 мм x 152 мм, он имеет три модели походки - ползание, tort и перекатывание - и отличается простотой и стабильностью движений.

Рисунок 2. Колесно-шагающий робот, разработка TJU

В-третьих, используется выдвижной модуль, который может использоваться как колесо и как нога. Механическая конструкция выдвижного модуля колеса-ноги используется для более надежного движения робота в сложных вибрационных средах.

Как показано на Рис. 3, в Китайском национальном университете оборонных технологий (USTC) был разработан такой гибридный четырех-ногий робот на основе складных колес. По сравнению с традиционными колесными роботами, он обладает хорошей способностью к преодолению препятствий. Он также имеет преимущества компактности, малого веса и простой системы управления по сравнению с другими колесно-ножными роботами [5].

Рисунок 3. Деформируемый колесно-шагающий робот из USTC

В университете Тайваня были разработаны два деформируемых четырехколесных ножных робота, как показано на Рис.  4 [6]. Оба робота имеют колесно-шагающий механизм, состоящий из двух полукруглых колес с двумя степенями свободы для вращения бедра и движения вверх-вниз. Колесно-шагающий механизм робота в режиме ходьбы представляет собой структуру перекрывающихся полукруглых колес. Робот имеет уникальный механизм деформации, который использует двигатель для привода одного из полукруглых колес для поворота на 180°, преобразуя его в круговую колесную структуру и, таким образом, изменяя колесно-шагающий механизм в колесный режим.

Рисунок 4. Деформируемый колесно-шагающий робот из NTU

В-четвертых, колеса устанавливаются на суставе многосуставного механизма ноги. Эта комбинация может быть реализована различными способами, например, путем установки колес в конце или в середине тандемного механизма ног. Этот колесно-шагающий робот, который преодолевает препятствия с помощью движений ног, быстро перемещается с помощью движений колес.

Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе разработал четвероногого робота ANYmal [7]. Каждый ножной механизм робота имеет четыре вращающихся шарнира, а на его конце установлен колесный механизм с приводом управления крутящим моментом, образуя таким образом четырехколесный четырехногий робот. Как показано на рис. 6, он способен переключаться между колесным и ножным режимами на плоских поверхностях, а также выполнять смешанные колесно-ножные движения на сложных поверхностях, пересекать и преодолевать препятствия. Но для такого высококачественного движения требуются специальные устройства для приводов суставов робота, специально разработанные двигатели и редукторы. Каждый из них очень дорог.

Рисунок 5. ANYmal-wheeled ETH Zurich

Колесно-шагающий робот, разработанный китайским исследователем Ли Донгом из университета Яншань (YSU), показан на Рис.  6. Этот робот использует двигатель и колеса, установленные на коленном суставе для выполнения колесного движения [8]. Когда роботу нужно переключиться с колесного движения на ходьбу, он проходит несколько этапов. Сначала бедренные суставы робота поворачиваются наружу, расстояние между передними и задними колесами робота увеличивается, и ноги робота контактируют с землей. Затем робот стоит, приводимый в движение двигателями в ногах.

Рисунок 6. Колесно-шагающий робот YSU

2. Структура ноги шагающего робота

В настоящее время существует четыре основных конструкции для более зрелых суставов ног четвероногих роботов, а именно: полно-коленный робот, полно-локтевой робот, коленно-локтевой робот и локте-коленный робот. Все эти четыре схемы могут хорошо реализовать свободную ходьбу робота. На Рис.  7 показаны четыре варианта конструкции ног робота, причем полно-коленный робот наиболее подходит для подъема и бега, а полно-локтевой - для спуска и предотвращения падений. Локте-коленные роботы могут лучше избегать взаимодействия передних и задних ног во время движения, в то время как колено-локтевые роботы демонстрируют большую устойчивость и двунаправленное движение. Полно-коленный и полно-локтевой робот имеют преимущества в том, что ими относительно легко управлять, так как они сконструированы с одинаковыми суставами. Локте-коленный и колено-локтевой роботы имеют суставы в противоположном направлении, обеспечивая большую опорную поверхность и большую стабильность, чем предыдущие два.

Рисунок 7. Структура ноги робота

Заключение

Большая часть существующих сегодня колесно-шагающих роботов предназначена для сложных наземных условий, Некоторые роботы используют гидравлический привод для увеличения грузоподъемности. В результат они являются относительно сложным механическим устройством и алгоритм управления очень сложный, роботы занимают много пространства и тяжелы. Хотя роботы с деформируемыми колесами компактны и легки, они ограничены структурными характеристиками колес и не двигаются достаточно плавно во время ходьбе.

Добавление дополнительной шагающей конструкции к колесному мобильному роботу - это метод, который значительно увеличит вес робота и увеличит нагрузку на суставы ног робота. Робот с использованием нескольких специальных колес и робот с деформируемыми колесами - несложные по конструкции и занимают мало пространства, но во время движения корпус робота значительно перемещается вверх-вниз и недостаточно устойчиво.

Список литература:

1. Li Ruifeng, Li Hanzhou. Development Status of Ground Mobile Service Robots [J]. Navigation and Control, 2017, 16(1): 104-112.
2. Gao Feng, Guo Weizhong. Strategic thinking on the development of Chinese robots [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(7): 1-5.
3. DONGPING LU, ERBAO DONG, CHUNSHAN LIU, et al. Design and development of a leg-wheel hybrid robot; [J/OL]. 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2013: 6031-6036.
4. Wang Yandong. Design and analysis of a new type of connecting rod articulated wheel-legged mobile robot [D/OL]. Tianjin University, 2018.
5. ZHOU F, XU X, XU H, et al. Transition mechanism design of a hybrid wheel-track-leg based on foldable rims[J/OL]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2019, 233(13): 4788-4801.
6. CHEN S C, HUANG K J, CHEN W H, et al. Quattroped: A Leg--Wheel Transformable Robot[J/OL]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2014, 19(2): 730-742.
7. ANYmal on Wheels[EB/OL]. [2023-05-17]. https://rsl.ethz.ch/robots-media/anymal-wheels.html.
8. Li Dong. Gait generation and walking stability analysis of four-wheeled robot [D/OL]. Yanshan University, 2018.