Разработка нижнего контура управления змееподобного робота
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
Разработка нижнего контура управления змееподобного робота
Введение
В настоящее время всё чаще требуются мобильные роботы для работы в труднодоступных местах. Для этих целей создано множество роботов и ещё больше разрабатывается. Долгое время основным средством передвижения роботов являлись колесные или гусеничные (реже шагающие) транспортные модули - по сути тележки подведённые под робота. Однако природа с которой человек копирует многие составляющие роботов куда разнообразнее в выборе способа передвижения своих созданий.
Одним из самых интересных представителей живой природы являются змеи. Они обладают многими интересными особенностями, но нас интересуют прежде всего их мобильные возможности - они почти безграничны: свободное перемещение почти по любым видам грунта а также возможность передвигаться в жидкой среде. Поэтому многие мировые научные центры, включая ЦНИИ РТК ведут разработки мобильных роботов используя бионический1 подход к разработке автоматизированного автономного мультизвенного (много модульного) робота, использующего в качестве передвижения змеевидные локомоции2.
Основные преимущества таких роботов заключаются в следующем: механические многозвенные роботы-змеи способны приспосабливаться практически к любым условиям. Они могут двигаться практически по любой поверхности. Модульность, распределенная масса и гиперизбыточность позволяют создавать отказоустойчивые модели. Все перемещения таких роботов обусловлены исключительно сгибанием и разгибанием модулей или шарниров соединяющих модули.
1. Существующие разработки змеевидных роботов и их природные прототипы
При рассмотрении управления многозвенными роботами необходимо знать базовые схемы и принципы движения их природных прототипов - змей.
.1 Движение змей в природе
Так называемое змеевидное движение, не является единственным способом, который используют змеи для передвижения. В различных условиях обитания, на разном субстрате змеи выработали целый ряд особых типов движения.
При змеевидном типе движения туловище волнообразно изгибается, и образующиеся волны как бы пробегают вдоль тела от головы до хвоста. Выгибающийся участок тела, поставленный наискось к направлению движения, опирается на субстрат и создает толкающую силу. Она направлена под углом к движению, но может быть разложена на две составляющие - перпендикулярную и параллельную линии движения. Первая составляющая гасится сопротивлением опоры, а вторая толкает тело вперед. Таким образом, чем больше изгибов, тем больше суммарная движущая сила. Поэтому змеи, использующие такой способ движения, имеют обычно длинное, гибкое и стройное тело. Таковы, например, ужи и полозы - активные змеи, выслеживающие и догоняющие свою добычу. Заметим, однако, что скорость, развиваемая змеей даже при самом быстром скольжении, не превышает, как правило, 6-8 км/час, а у многих видов не достигает и 5 км/час. Поскольку при змеевидном типе движения используется опора на субстрат, то эффективность движения зависит от шероховатости опоры. Так, по гладкому стеклу змея не может двигаться - тело извивается, а животное остается на месте. Помимо гладкого субстрата, плохую опору для тела представляет и сыпучий субстрат - подвижные пески пустынь, не закрепленные растительностью. В этих условиях у некоторых видов змей выработался особый тип движения - боковой ход. Змея ползет не вперед, а как бы вбок. Подтягивая вперед заднюю часть туловища, она перебрасывает ее, не касаясь субстрата, вперед, и затем, опираясь на весь бок тела, подтягивает переднюю часть.
В движении змей важную роль играют расширенные брюшные щитки. Они могут плотно прилегать друг к другу, образуя гладкую поверхность, или сокращением брюшной мускулатуры их задний край опускается и создается хорошая опора.
Отличительная особенность этого способа движения состоит в том, что движущееся тело осуществляет плоское движение и контактирует с плоскостью все время одними и теми же своими точками. Именно таким свойством обладает движение змей и некоторых других животных, не имеющих конечностей и перемещающихся только за счет изгибов тела.
.2 Механические роботы-змеи
Механические роботы-змеи могут двигаться практически по любой поверхности. Их тела состоят из множества гибко связанных между собой сегментов. Все перемещения роботов-змей обусловлены исключительно сгибанием и разгибанием этих ключевых составляющих. Движение начинается с одного из концов пресмыкающегося и реализует один из способов передвижения описанный в предыдущем пункте.
Двигатели активизируют процесс изгибания начальных сегментов, возникающие при этом боковые силы передаются на опорные элементы и голова начинает тянуться вперед. После этого включаются следующие моторчики, за головой подтягивается тело и затем хвост. Для различных мод движения этот алгоритм может различаться, но суть управления многозвенным роботом не меняется.
Из приведенного описания движения очевидно, что управление таким типом роботов сложно и требует для реализации упрощения.
Существует несколько путей решения задачи управления.
Можно управлять по отдельности каждым приводом и соответственно усложнить управление, а можно задать