Анализ существующих конструкций
Все множество существующих конструкций прыгающих роботов можно классифицировать по нескольким наиболее распространенным признакам:
вид механизма позиционирования до прыжка,
вид механизма прыжка
вид механизма переворота робота после прыжка.
1.1 Прыгающие роботы, отличающиеся видом механизма позиционирования до прыжка
На рисунке 1.1 показаны основные виды механизмов, при помощи которых робот может позиционироваться до прыжка.
Рисунок 1.1 Механизмы позиционирования прыгающих роботов до прыжка: (A) - поворот робота на месте с помощью колес; (B) - изменение положения центра тяжести; (C) - поворот робота на месте при помощи ноги; (D) - поворот механизма, реализующего прыжок, относительно корпуса робота
Робот, прыгающий по ступенькам, “scout robot” (2002) представляет собой колесную систему весом 200 г, которая прыгает за счет силы пружины, намотанной вокруг его корпуса (рисунок 1.2). Движение в заданном направлении обеспечивается поворотом робота перед прыжком.
Рисунок 1.2
Прыгающий робот «Sandia» (2001) весом 2.5 кг осуществляет прыжок при помощи поршневого привода и камеры сгорания, установленной в сферическом пластмассовом корпусе. После приземления устройство находится в устойчивом положении и может поворачивать свой центр масс для изменения ориентации и реализации следующего прыжка (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3
“Minimalist jumping robot” (2003) имеет массу 1.3 кг и может после приземления изменить свою конструкцию, чтобы стать вертикально, для следующего прыжка (рисунок 1.3). Изменение направления происходит за счет поворота робота относительно ноги.
Рисунок 1.3
1.2 Прыгающие роботы, отличающиеся видом механизма прыжка
Различают прыгающих роботов, приводимых в движение следующими видами приводов:
1. Гидравлические.
2. Пневматические.
3. Пружинные.
4. Камера сгорания.
“Rescue robot” имеет массу 2 кг и может, благодаря полусферам на одной стороне колес, вертикально приземлиться. Затем его можно развернуть, используя колеса, очень похожие на робота В. Прыжок реализуется при помощи пневматического привода.
Робот состоит из привода, включающего в себя двигатель, зубчатые колеса и кулачок, главной ноги, 1.3 мм карбоновых стержней, используемых в качестве стопы, инфракрасного приемника и 10мАч аккумулятора. Изменяя пропорции ноги, можно регулировать угол взлета, время разгона и траекторию стопы. Вес робота составляет 6.98 г.
PIGORASS двигается при помощи 10 пневматических «мышц», управляемых внешним воздушным компрессором с датчиками давления, и 10 инертных «мышц»-пружин. Общий вес механизма – 4 кг, длина тела – 35 см.
Precision Urban Hopper представляет собой наземного робота способного перепрыгивать препятствия около 7,5 метров в высоту. Полученный робот, размером с ноутбук, большую часть времени передвигается на четырех колесах при помощи электромотора, а для прыжков задействует поршневой механизм.
Прыгающий механизм состоит из корпуса, в котором установлен электродвигатель, ноги и аккумулятора. Помимо этого, конструкция оснащена плитой основания и двумя вертикальными линейками, ограничивающими перемещение вдоль вертикальной оси. Нога взаимодействует с корпусом посредством пружины. Алюминиевый стержень, проходящий через пружину, препятствует ее изгибу во время сжатия. Нить, которая сжимает пружину, одним концом взаимодействует с алюминиевым стержнем, а вторым – с валом конической зубчатой передачи. У плиты основания есть механические ограничители, позволяющие определять моменты приземления и отрыва от поверхности.
1. (67) G. Zeglin, Uniroo: A One-Legged Dynamic Hopping Robot
Робот совершает прыжок на 10 см в высоту
и приземляется на стопу. Каждый прыжок
происходит за 0,7 с. В течение каждого
прыжка робот движется вперед, приземляется,
сгибает ногу, толкается и перемещает
ногу вперед в течение полета.
Цикл прыжка может быть разбит на несколько фаз. Цикл состоит из фазы полета, в которой робот находится в воздухе, фазы нахождения робота на поверхности, фазы сжатия ноги, в которой вертикальная энергия накапливается в пружине, фаза толчка, в которой робот начинает отрываться от поверхности под действием накопленной в пружине энергии, фаза отрыва, в которой стопа робота отрывается от поверхности, фазы полета, в которых объект набирает и теряет высоту. Если прыжок происходит с горизонтальной скоростью, то горизонтальная энергия также изменяется в течение цикла прыжка: энергия накапливается в пружине в течение сжатия ноги и тратится во время толчка.
Робот имеет трехуровневую систему управления. Нижний уровень контролирует работу приводов. Второй уровень работает в течение фазы нахождения робота на поверхности: выбирает заданные значения для нижнего уровня и отвечает за положение будра робота, нулевую точку и т.д. Третий уровень работает, управляя скоростью движения вперед и высотой прыжка.
