Способы перемещения. Управление движением робота при помощи системы с отрицательной обратной связью

Колёсные и гусеничные роботы

Наиболее распространёнными роботами данного класса являются четырёхколёсные и гусеничные роботы. Создаются также роботы, имеющие другое число колёс - два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а также придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна.

Сегвей в Музее роботов в Нагоя.

Двухколёсные роботы, как правило, для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) используют те или иные гироскопические устройства. Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обратного маятника. На данный момент, разработано множество подобных «балансирующих» устройств. К таким устройствам можно отнести Сегвей, который может быть использован, как компонент робота; так например сегвей использован как транспортная платформа в разработанном НАСА роботе Робонавт.

Одноколёсные роботы во многом представляют собой развитие идей, связанных с двухколёсными роботами. Для перемещения в 2D пространстве в качестве единственного колеса может использоваться шар, приводимый во вращение несколькими приводами. Несколько разработок подобных роботов уже существуют. Примерами могут служить шаробот разработанный в университете Карнеги - Меллона, шаробот «BallIP» , разработанный в университете Тохоку Гакуин (англ. Tohoku Gakuin University ), или шаробот Rezero, разработанный в Швейцарской высшей технической школе. Роботы такого типа имеют некоторые преимущества, связанные с их вытянутой формой, которые могут позволить им лучше интегрироваться в человеческое окружение, чем это возможно для роботов некоторых других типов.

Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для организации перемещения используют вращение внутренней массы. Роботов подобного типа называют англ. spherical orb robots , англ.orb bot и англ.ball bot .

Для перемещения по неровным поверхностям, траве и каменистой местности разрабатываются шестиколёсные роботы, которые имеют большее сцепление, по сравнению с четырёхколёсными. Ещё большее сцепление обеспечивают гусеницы. Многие современные боевые роботы, а также роботы, предназначенные для перемещения по грубым поверхностям разрабатываются как гусеничные. Вместе с тем, затруднено использование подобных роботов в помещениях, на гладких покрытиях и коврах. Примерами подобных роботов могут служить разработанный НАСА робот англ. Urban Robot («Urbie»), разработанные компанией iRobot роботы Warrior и PackBot.

Шагающие роботы

Робот-андроид ASIMO, производство Honda.

Первые публикации, посвящённые теоретическим и практическим вопросам создания шагающих роботов , относятся к 1970 - 1980-м годам XX в.

Перемещение робота с использованием «ног» представляет собой сложную задачу динамики. Уже создано некоторое количество роботов, перемещающихся на двух ногах, но эти роботы пока не могут достичь такого устойчивого движения, какое присуще человеку. Также создано множество механизмов, перемещающихся на более чем двух конечностях. Внимание к подобным конструкциям обусловлено тем, что они легче в проектировании. Предлагаются также гибридные варианты (как, например, роботы из фильма «Я, робот», способные перемещаться на двух конечностях во время ходьбы и на четырёх конечностях во время бега).

Роботы, использующие две ноги, как правило, хорошо перемещаются по полу, а некоторые конструкции могут перемещаться по лестнице. Перемещение по пересечённой местности является сложной задачей для роботов такого типа. Существует ряд технологий, позволяющих перемещаться шагающим роботам:

ZMP-технология: ZMP (англ. ) (англ. Zero Moment Point , «точка нулевого момента») - алгоритм, использующийся в роботах, подобных ASIMO компании Хонда. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота. Подобный способ движения не характерен для человека, в чём можно убедиться сравнив манеру перемещения робота ASIMO и человека.

Прыгающие роботы: в 1980-х годах профессором Марком Рейбертом (англ. Marc Raibert из англ. « Leg Laboratory » Массачусетского технологического института был разработан робот, способный сохранять равновесие посредством прыжков, используя только одну ногу. Движения робота напоминают движения человека на тренажёре пого-стик. Впоследствии алгоритм был расширен на механизмы, использующие две и четыре ноги. Подобные роботы продемонстрировали способности к бегу и способность выполнять сальто. Роботы, перемещающиеся на четырёх конечностях, продемонстрировали бег, перемещение рысью, аллюром, скачками.

Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчете отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog. При движении этот робот поддерживает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точки статической устойчивости, что влечет необходимость своеобразной постановки ног («коленки внутрь» или «тянитолкай»), а также создает проблемы с остановкой машины на одном месте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.

Другие методы перемещения

Летающие роботы. Большинство современных самолётов являются летающими роботами, управляемыми пилотами. Автопилот способен контролировать полёт на всех стадиях - включая взлёт и посадку. К летающим роботам относятся также беспилотные летательные аппараты (БПЛА; важный их подкласс составляют крылатые ракеты). Подобные аппараты имеют, как правило, небольшой вес (за счёт отсутствия пилота) и могут выполнять опасные миссии; некоторые БПЛА способны вести огонь по команде оператора. Разрабатываются также БПЛА, способные вести огонь автоматически. Кроме метода движения, используемого самолётами, летающими роботами используются и другие методы движения - например, подобные тем, что используют пингвины, скаты, медузы; такой способ перемещения используют роботы Air Penguin, Air Ray и Air Jelly компании Festo, или используют методы полёта присущие насекомым, как, например, RoboBee.

Два змееподобных ползающих робота. Левый оснащён 64-мя приводами, правый - десятью.

Ползающие роботы. Существует ряд разработок роботов, перемещающихся подобно змеям, червям, слизням. Предполагается, что подобный способ перемещения может придать им возможность перемещаться в узких пространствах; в частности, предполагается использовать подобных роботов для поиска людей под обломками рухнувших зданий. Так же, разработаны змееподобные роботы, способные перемещаться в воде; примером подобной конструкции может служить японский робот ACM-R5.

Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям. При проектировании подобных роботов используются различные подходы. Первый подход - проектирование роботов, перемещающихся подобно человеку, взбирающемуся на стену, покрытую выступами. Примером подобной конструкции может служить разработанный в Стэнфордском университете робот Capuchin. Другой подход - проектирование роботов, перемещающихся подобно гекконам. Примерами подобных роботов являются Wallbot и Stickybot

Плавающие роботы. Существует много разработок роботов перемещающихся в воде подражая движениям рыб. По некоторым подсчетам эффективность подобного движения может на 80 % превосходить эффективность движения с использованием гребного винта. Кроме того, подобные конструкции производят меньше шума, а также отличаются повышенной манёвренностью. Это является причиной высокого интереса исследователей к роботам, движущимся подобно рыбам. Примерами подобных роботов являются разработанный в Эссекском университете робот Robotic Fish и робот Tuna разработанный Institute of Field Robotics (англ.) для исследования и моделирования способа движения, характерного для тунца. Так же, существуют разработки плавающих роботов других конструкций. Примерами являются роботы компании Festo: Aqua Ray имитирующий движения ската и Aqua Jelly, имитирующий движение медузы.

Лабораторное занятие № 1 "Программирование

микроконтроллера NXT Brick"

Введение

Робототехника - динамично развивающаяся отрасль как с точки зрения прикладного использования так и в научных исследованиях. Появившийся в последние годы новый вид товара - робототехнические комплекты позволяют реализовать проекты роботов с различной функциональностью, провести тестирование задуманного, использоваться в обучении.

Одним из наиболее популярных робототехнических комплектов в мире является LEGO Mindstorms NXT. Разработанный совместно с сотрудниками Масачусетского технологического института он представляет собой большой набор конструктивных деталей (более 600 шт), 3 сервопривода, набор датчиков и микрокомпьютер NXT Brick. Комплект является базовым при проведении многих робототехнических мероприятий в мире, в том числе соревнований WRO (World Robotic Olympiad). С комплектом поставляется среда визуального программирования NXT-G, созданная компанией National Instruments на основе своего продукта LabView.

Таким образом, комплект NXT представляет собой прекрасный полигон для реализации на его основе комплекса лабораторных работ при изучении робототехники.

Цель занятия

Познакомиться с основными возможностями робототехнического микрокомпьютера NXT Brick, его блоками управления, системой меню, познакомиться со средой визуального программирования NXT-G, произвести программирование базовых функций: вывод на экран, воспроизведение звуков.

Задание

Изучить органы управления NXT Brick Изучить систему меню NXT Brick

Изучить назначение портов NXT Brick

Запустить среду программирования NXT-G

Познакомиться с базовой палитрой инструментов NXT-G

Познакомиться с расширенной палитрой инструментов NXT-G Написать следующие программы:

Ход выполнения работы

Внешний вид микрокомпьютера NXT Brick приведен на рис. 1. Питание осуществляется от 6 батарей формата AA. Блок оснащен ЖК дисплеем с возможностью отображения текста и графики. Для перемещения по разделам меню служат клавиши на лицевой панели: оранжевая OK, темно серая - Отмена. Блок может воспроизводить звуки как из заранее записанных файлов, так и различной тональности. Подключение к компьютеру осуществляется по интерфейсу USB. Есть модуль связи Bluetooth, что позволяет как управлять блоком с компьютера, так и связывать блоки друг с другом. NXT Brick имеет три порта для приводов помеченных буквами A, B и C (для движения обычно используются B и C, A - для манипулятора), четыре порта для датчиков, помеченных цифрами.

Рис. 1. NXT Brick

Для программирования NXT Brick может использоваться среда визуального программирования NXT-G. Внешний вид среды со стандартной палитрой инструментов приведен на рис. 2. Здесь программа строится из блоков, размещаемых на балках LEGO. Допустимо использовать циклы, условные переходы, взаимодействовать с датчиками, приводами, управлять приемопередатчиком Bluetooth, осуществлять вывод на экран и воспроизводить звуки.

Рис. 2. Интерфейс визуальной среды программирования NXT-G

Для включения нового блока в программу его необходимо "перетащить" мышкой с панели инструментов на балку LEGO. Порядок следования элементов будет определять порядок выполнения программы.

каждого блока есть набор параметров, которые определяют его "поведение". Так, например у блока "Движение" можно выбрать направление движения, его продолжительность, мощность, подаваемую на двигатели.

Студенты должны выполнить пункты задания на лабораторную работу и поготовить отчет.

Лабораторное занятие № 2 "Основные приемы управления движением мобильного робота"

Цель занятия

Освоить практические навыки построения мобильного робота, освоить практические навыки программирования различных видов движения мобильного робота.

Задание

На основе предложенной схемы собрать конструкцию мобильного робота Написать следующие программы:

Ход выполнения работы

Собрать конструкцию мобильного робота. Окончательный вид конструкции представлен на рисунке 3. Эта конструкция - типичная компоновка для мобильных роботов. Два ведущих колеса привода обеспечивают движение, поворотное колесо делает возможным повороты. Поворот робота осуществляется подачей разных мощностей на правый и левый двигатели.

Рис. 3. Тележка мобильного робота с поворотным колесом

При сборке особое внимание необходимо уделить такому понятию как "развесовка". Дело в том, что основную нагрузку в такой тележке должна нести ось ведущий колес. Самым тяжелым элементом конструкции является NXT Brick. Если на поворотное колесо будет приходится слишком большой вес конструкция будет плохо поворачиваться.

Рис. 4. Вид снизу. Способ крепления двигателей

Двигатели в данной тележке крепятся к днищу микрокомпьютера посредством прямых балок (рис. 4).

Особое внимание следует уделить конструкции поворотного колеса (рис. 5). Оно должно свободно поворачиваться как вокруг своей оси, так и вокруг оси крепления. При том конструкция должна быть достаточно прочной. Рис. 5. Конструкция поворотного колеса

После сборки мобильного робота необходимо выполнить все пункты задания и подготовить отчет.

Лабораторное занятие № 3 "Изучение сенсорных датчиков Mindstroms NXT"

Цель занятия

Познакомиться с сенсорами комплекта NXT, освоить способы их подключения, диагностики, освоить практические навыки программирования робота с использованием сенсоров.

Задание

Оснастить робота бампером на основе датчиков касания Написать следующие программы:

Дооснастить робота датчиком расстояния Написать следующие программы:

Подготовить отчет со скриншотами написанных программ

Комплект LEGO Mindstorms NXT поставляется со следующим набором датчиков: два датчика касания, ультразвуковой датчик расстояния и цветовой датчик. Все они имеют стандартный вид крепления.

Рис. 6. Датчик касания NXT

Датчик касания NXT фактически представляет собой кнопку. Мы можем отслеживать три состояния: "нажата", "отпущена", "нажата и отпущена". В зависимости от логики работы программы необходимо анализировать одно из этих трех расстояний. С помощью датчика касания можно решать например такие задачи, как детектор столкновений, два датчика могут помочь определить размер объекта и т.д.

Рис. 7. "Заготовка" для бампера

Рис. 8. Бампер

Из кривых балок LEGO соберите собственно сам бампер. Смонтируйте его на мобильном роботе.

Рис. 9. Мобильный робот с бампером

Напишите программу для робота с бампером согласно заданию на лабораторную работу.

Рис. 10. Ультразвуковой датчик расстояния

Датчик расстояния NXT использует ультразвуковой метод определения расстояния до объекта. Имеет излучатель и микрофон. Эффективно работает на расстоянии в пределах от 10 до 100 см до объекта.

Рис. 11. Мобильный робот с бампером и ультразвуковым датчиком расстояния.

Дополните конструкцию робота ультразвуковым датчиком расстояния и напишите программу согласно заданию на лабораторную работу.

По итогам работы необходимо оформить отчет.

Лабораторное занятие № 4 "Движение мобильного робота по черной линии"

Цель занятия

Познакомиться с световым и цветовым сенсором комплекта NXT, освоить базовые алгоритмы движения по черной линии.

Задание

На основе предложенной схемы собрать конструкцию мобильного робота (2 варианта: робот на гусеничной платформе, робот на колесной платформе с поворотным колесом)

Оснастить робота цветовым датчиком Написать следующие программы:

Ход выполнения работы

Для выполнения данной работы понадобится цветовой датчик NXT. Цветовой датчик может работать в двух режимах: датчик цвета и датчик света. Для решения задачи движения по линии больше подходит режим светового датчика. В этом случае значение находится в пределах от 0 до 255 и соответствует яркости отраженного света от освещаемого объекта. Для движения по черной линии целесообразно освещать ее красным светодиодом.

Рис. 12. Цветовой сенсор NXT.

Удалите с мобильного робота датчик расстояния и бампер и оснастите его датчиком освещенности. Расположение сенсора - по осевой линии робота, чуть впереди оси колес.

"Классическая" программа движения робота по черной линии приведена на рис. 13.

Реализуйте ее.

Рис. 13. Простейший "классический" алгоритм движения по черной линии.

Модифицируйте программу для движения по линии с П-регулятором, ПИ-регулятором и ПИД-регулятором.

По окончании работы подготовьте отчет.

Библиографический список

Основы мехатроники: монография / Ю. М. Осипов [и др.] Федеральное агентство по образованию, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - Томск: ТУСУР, 2007. - 162 с.(90 экз. в библиотеке ТУСУР)

Юревич Е. И., Игнатова Е. И. Основные принципы мехатроники. Мехатроника, Автоматизация, Управление, №3, 2006.(5 экз. в библиотеке ТУСУР)

Юревич Е.И. Основы робототехники. Учеб.пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

М. Шахинпур. Курс робототехники. Пер. с англ. – м.: Мир, 1990.

9 самых жутких пыток древнего мира

Что форма носа может сказать о вашей личности?

20 Признаков что вы нашли идеального парня

Танцевать как робот – это танцевать в стиле поппинг. В основе танца техника быстрого сокращения мышц и расслабления. Поэтому во время танца создается эффект будто танцор резко вздрагивает. Подобные вздрагивания в сочетании с различными позами и движениями выполняются непрерывно под ритм музыки. Танцоры изображают движения ожившего манекена или робота.

Инструкция

Если вы таки решили научиться данному танцу, то следует прислушаться к следующим рекомендациям. Для занятий нужно подобрать музыку. Она должна быть ритмичной, около 100-120 ударов в минуту. Важно чувствовать ритм музыки, соблюдать музыкальность. Обучитесь делать сильное сокращение мышц, это можете телу как бы вибрировать и трястись. Такие движений являются характерной особенностью этого вида уличного танца. В танце эти «вздрагивания» выполняются непрерывно, комбинируются с разными движениями и позами.
Помните, что основой этого стиля является удар. Отрабатывайте его грудной клеткой, шеей, руками, ногами в различных вариациях. Выучите 10 базовых элементов и 4-5 типичных связок. Потом до идеала доведите технику исполнения фиксации. Постарайтесь скопировать движения робота, совершайте небольшие остановки в конце каждого сделанного движения, это позволит подчеркнуть резкость следующего элемента.
В движениях много жестикуляций, углов, вам следует их освоить. Учтите, что практически все движения в танце робота делаются стоя, однако есть элементы, которые осуществляются с опусканием на колени и лежа.
Движения кистями рук и самими руками должны выполняться очень резко. Руки могут быстро и энергично описывать круги, словно кисть рубит воздух, подобные элементы придадут танцу решительность, собранность и силу. Можете делать указывания пальцем. Можно выполнять элементы, создающие иллюзию, словно вы скользите или плывете по полу в различных направлениях. «Пускание» волн по рукам и корпусу. Научитесь скользить ногами по полу, как бы создавая эффект скольжения по воздуху, используя перекатывание стопы с носка на пятку.
Все движения необходимо повторять через одинаковые промежутки времени, так у танцора получится создать эффект, что он движется будто под светом стробоскопа.
Экспериментируйте, используя уже выученные элементы. Используйте движения и элементы из других направлений, создайте свой стиль, совершенствуйте технику. Чем более непредсказуемый танец, чем разнообразнее движения, тем интереснее зрителю за ним наблюдать.
Смотрите видео уроки, представленные в конце статьи, чтобы лучше понять особенности этого танца и научиться его движениям.

Обратите внимание

Этот танце появился в семидесятых годах двадцатого века. Его продолжительное время танцевали под музыку: электро, фанк и диско. Родиной поппинга является Калифорния. Сейчас движения этого стиля подстраивают под современные мелодии и песни. Частенько его танцуют под новинки электронной музыки и хип-хоп. Он очень популярен среди молодежи. Его элементы встречаются в клипах и фильмах. Даже проводятся соревнования по этому виду танца.

Видео уроки

Мобильный робот перемещается для решения тех или иных задач, получает данные с внешних датчиков, и должен постоянно , чтобы управлять своим движением. Все эти процессы происходят непрерывно и тесно взаимосвязаны друг с другом. Сегодня речь пойдет об основных конфигурациях колесных роботов и том, как математически описываются их перемещения. Этот материал поможет выбрать колесную конфигурацию для своего мобильного робота.

Мобильные роботы могут перемещаться в различных средах: в водной, воздушной, по земле, в космосе. И движение в каждой среде имеет свои особенности, связанные с их различными физическими свойствами.

В этой публикации я рассмотрю колесных роботов, которые способны перемещаться по достаточно плоским поверхностям.

При разработке системы перемещения робота необходимо учитывать следующие моменты:

скорость или ускорение движения
точность позиционирования (повторяемость)
гибкость и робастность (надежность) при различных условиях
эффективность (низкое энергопотребление)

Система координат

Для того чтобы математически описать движение мобильного робота нам потребуется определить системы координат. Я введу две системы координат — мировую систему координат W (буду считать что он неподвижна в пространстве), и система координат робота R , которая перемещается в пространстве и остается неподвижной относительно самого робота.

Нам необходимо определить местоположение робота, то есть мы хотим знать, как преобразовывать координаты между W и R .

Степени свободы движения

Число степеней свободы определяет минимальное количество независимых переменных (обобщённых координат), необходимых для полного описания движения механической системы.

Твердое тело, которое перемещается и вращается двигаясь по одномерному пути имеет одну степень свободы — поступательную. В качестве примера