Разработка нижнего контура управления змееподобного робота
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
отработку какого-то действия (Верхний уровень) возложив управление приводами на отдельный контроллер (Нижний уровень) который уже будет напрямую управлять движениями. Это разбиение на Верхний и Нижний уровень управления очень напоминает рефлекторную отработку простых движений человеком: когда мы идем мы не задумываемся о том как согнуть ногу или поставить стопу - мы делаем это рефлекторно. Как и в приведённом примере удобнее возложить исполнение управления роботом на отдельный контроллер, а освободившиеся ресурсы направить на совершенствование управления движением.
Прежде чем дальше рассматривать особенности управления змеевидным роботом обратимся к разработкам которые существуют и которые были реализованы в железе.
.3 Существующие разработки змееподобных роботов
робот движение управление змеевидный
В настоящее время в мире существует несколько видов и моделей змееподобных роботов. Все они могут быть поделены на 2 группы: это механизмы, имеющие одно и более подвижных относительно корпуса опорных колес на каждом модуле, и безколёсные механизмы, которые при перемещении по поверхности опираются непосредственно на корпус. В зависимости от числа степеней свободы шарниров и количества звеньев эти модели обладают большим или меньшим общим числом степеней свободы и способностью имитировать движения живой змеи. Замечу, что реальные динамические и физические характеристики искусственных змей существенно отличаются от характеристик природных прототипов как по маневренности и грузоподъёмности, так и по скорости, степени автономности (т.е. способности к длительной работе без использования внешнего источника питания) и др.
Первые разработки были реализованы в виде колесных роботов в 70х годах прошлого века Hirose и Umetami, которые разрабатывали устройства, перемещающиеся за счёт изгибания тела. Активный хордовый механизм с колесными опорами (Active Cord Mechanism model ACM III) (Рисунок 2.1) - это первый в мире робот использующий для движения принцип серпентойды. Его длинна 2 м, он состоит из 20 сегментов - модулей опирающихся на пары пассивных колес с перпендикулярными телу механизма осями, имеющих возможность свободно вращаться вокруг вертикальной оси. 26 декабря 1972 года этот робот первым в мире, осуществил механическое змеевидное движение со скоростью около 40 см/сек, используя изгибные движения в горизонтальной плоскости тела.
Число степеней свободы20Скорость передвижения40 см/секГод создания1972
Дальнейшие разработки этой исследовательской группы привели к созданию робота ACM-R3 состоящего из модулей с двумя ортогональными осями - многозвенного механизма с пассивными колесами. Его основные характеристики приведены в Таблице 2.2
Таблица 3.2
Число степеней свободы20Количество звеньев20Размеры1755 х 110 х 110 (мм)Масса12,1 кгМаксимальный угол поворота вокруг одной оси62,5 (град)Момент привода19,1 (Нм)В 1994-1995 гг. американцами Лораном Чабиным и Роджером Крочиным был создан робот (Рисунок 2.3). Модулями в нём служили мини-модели скейтбордов. Идея создания робота пришла к Лорану, когда он наблюдал за тем как человек, катаясь на роликовой доске, использует повороты доски для продвижения вперед. Его основные характеристики приведены в Таблице 2.3 Робот имеет автономное питание - четыре батареи на 1,2 В и одну на 9 В. С таким питанием он может работать без подзарядки около часа. Управление реализовано с помощью микропроцессора ST62E15 или ST62E25. Технические характеристики приведены в Таблице 2.3
Таблица 3.3
Количество звеньев9 по 2 колеса на каждомРазмеры790 х 65 х 20 (мм)Масса1270 (г)Максимальная скорость13 см/сек
В Европе в 1996 году доктор Bernhard Klaassen в GMD's Institute for Autonomous Intelligent System (AIS) создал свою первую модель GMD-Snake (Рисунок 2.4). Она создана из нескольких идентичных секций, а также специального головного элемента, содержащего различные сенсоры для ориентации и контроля. Электронное оснащение робота сделано минимальным для уменьшения веса. Каждая секция контролируется отдельным процессором, управляющим движением сочленения. Действия отдельных процессоров координируются главным процессором который в свою очередь контролируется оператором с помощью специально разработанного программного обеспечения. Характеристики GMD-Snake приведены в Таблице 2.4.
Таблица 3.4
Количество звеньев6Длина200 смДиаметр6 смВес3 кгСкорость передвижения50 см/минПотребляемая мощность15 ватт
Основываясь на опыте первой модели зимой 1998 года была создана вторая модификация, её закончили как раз к началу Cebit 99 на котором она и дебютировала. В отличие от предшественицы вокруг каждого сегмента были размещены 12 колёс для передвижения со скоростью до 0.1 м/сек. Новая модель была оснащена видеокамерой и имела развитую сенсорную систему. Емкости встроенной батареей автономного питания хватало приблизительно на 40 минут работы GMD-Snake. Характеристики GMD-Snake 2 приведены в Таблице 2.5.
Таблица 3.5
Количество звеньев5Длина90 смДиаметр18 смВес10 кгСкорость передвижения10 см/секЕмкость ракета батарей47 Вольт ампер часПотребляемая мощностьВстроенной электроники 20 Вт, плоское движение 25 Вт, подъём головы и двух секций 40 Вт
В 1994 году NASA представила несколько вариантов роботов для космических исследований. Они так же имеют модульную структуру и способны изменять топологическую схему, тем самым образуя разветвленные структуры которые гибко изменяются под конкретные условия и задачи.
В период с 2000 по 2002 год в Sensor Based Planning Lab, Carnegie Mellon University со