Научная статья на тему 'Разработка конструкции узла ноги антропоморфного робота Антарес на основе двухмоторного колена'

Разработка конструкции узла ноги антропоморфного робота Антарес на основе двухмоторного колена Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
1113
158
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АНТРОПОМОРФНЫЕ РОБОТЫ / СЕРВОПРИВОДЫ / КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА / АНТАРЕС / КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛЕЙ / ДВУХМОТОРНОЕ КОЛЕНО / ТАЗОВЫЙ МЕХАНИЗМ / ANTHROPOMORPHIC ROBOTS / SERVOMECHANISMS / KINEMATIC SCHEME / ANTARES / COMPONENT PARTS DESIGN / TWIN-ENGINE KNEE / PELVIC MECHANISM

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Павлюк Никита Андреевич, Будков Виктор Юрьевич, Бизин Максим Михайлович, Ронжин Андрей Леонидович

Рассматривается задача проектирования конструктивных решений ног для антропоморфных роботов, приводится обзор существующих антропоморфных роботов с анализом сервоприводов и несущих деталей, а также конструкций и решений в целом, задействованных при разработке сборке ног роботов. Предложен вариант конструкции ног для разрабатываемого робота Антарес. Использованная в колене двухмоторная компоновка обеспечивает большую мощность узла, независимое взаимодействие с соседними узлами бедра и голени при сгибе, кроме того, удалось достичь большего угла сгиба ноги в колене по сравнению с одномоторной компоновкой колена, минимизировано смещение центра масс при выполнении простых движениях. Каждая нога имеет 6 независимых от остальных узлов робота степеней свободы, в сборке с тазовым механизмом количество степеней свободы на каждую ногу в отдельности возрастает до 7, в целом разработанное решение ног для антропоморфного робота Антарес имеет 14 степеней свободы. На этапе изготовления прототипа для проверки и отладки работы узлов в конструкции используются сервоприводы Dynamixel, производства компании Robotis. Для снижения электрической нагрузки на основной аккумулятор робота в бедренных отделах ног предусмотрена установочная площадка для вспомогательных аккумуляторов, осуществляющих питание сервоприводов. Приведены технические характеристики используемых сервоприводов, углы поворотов узлов ног, описаны углы поворотов отдельных узлов. Для ускорения работы и экономии процессорного времени основного вычислительного модуля непосредственное управление сервоприводами выполняется посредством вспомогательных контроллеров, отвечающих за работу всех 6 двигателей, установленных в суставных узлах каждой ноги робота. Разрабатываемый робот ориентирован на применение в образовательных целях для участия в соревнованиях роботов-футболистов, также рассматривается возможность их использования при разработке ассистивных технологий человеко-машинного взаимодействия на основе многомодальных интерфейсов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Павлюк Никита Андреевич, Будков Виктор Юрьевич, Бизин Максим Михайлович, Ронжин Андрей Леонидович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DESIGN ENGINEERING OF A LEG JOINT OF THE ANTHROPOMORPHIC ROBOT ANTARES BASED ON A TWIN-ENGINE KNEE

In this paper, we consider the problem of design engineering of anthropomorphic robot’s legs. An overview of the existing anthropomorphic robots and an analysis of servomechanisms and bearing parts involved in the assembly of robot’s legs are presented. We propose an option for constructing the legs of the robot Antares under development. A twin-engine layout, used in the knee joint, ensures higher joint power along with independent interaction with the neighboring hip joints and tibia joints when bending. The larger bending angle of knee joint relative to the single-engine layout is achieved. The displacement of the center of mass while performing simple movements is minimized. Each leg has 6 degrees of freedom independent from other robot units. The number of degrees of freedom of each leg integrated with pelvic mechanism rises to 7. The developed solution for Antares’ legs has 14 degrees of freedom. At the stage of the prototype manufacture the Dynamixel actuators produced by Robotis are used to validate and debug the units operation. To reduce the electrical load on the main battery of the robot, the femoral parts of the legs are provided with a mounting pad for additional batteries powering servos. The technical characteristics of the used actuators as well as the rotation angles of leg joints are discussed. Direct control of the servos is also carried out through the sub-controllers, responsible for all 6 engines installed in the articular joints of the robot's legs. The application of the robot Antares is focused on the educational purposes, particularly on participation in robot soccer competitions, as well as on the development of assistive technology of human-computer interaction based on multimodal interfaces.

Текст научной работы на тему «Разработка конструкции узла ноги антропоморфного робота Антарес на основе двухмоторного колена»

Мугин Олег Олегович - e-mail: mugin@fano.gov.ru; к.т.н.; советник отдела программного проектирования Управления координации и обеспечения деятельности организаций в сфере науки.

Цыганов Дмитрий Игоревич - e-mail: tsyganov@fano.gov.ru; д.т.н.; профессор; заместитель начальника Управления координации и обеспечения деятельности организаций в сфере науки.

Baykova Evgeniya Sergeevna - The Federal Agency for Scientific Organizations (FASO Russia); e-mail: baykova@fano.gov.ru; 32A, Leninsky prospekt, 119334, Moscow, Russia; phone/fax: +74996060101, +74956483848; Mathematics and IT Div. of Science Coordination Department, FASO Russia.

Mugin Oleg Olegovich - e-mail: mugin@fano.gov.ru; cand. of eng. sc.; Programs & Projects Div. of Science Coordination Department, FASO Russia.

Tsyganov Dmitriy Igorevich - e-mail: tsyganov@fano.gov.ru; dr. of eng. sc.; professor, Science Coordination Department.

УДК 004.5

НА. Павлюк, В.Ю. Будков, М.М. Бизин, А. Л. Ронжин

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УЗЛА НОГИ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА АНТАРЕС НА ОСНОВЕ ДВУХМОТОРНОГО КОЛЕНА*

Рассматривается задача проектирования конструктивных решений ног для антропоморфных роботов, приводится обзор существующих антропоморфных роботов с анализом сервоприводов и несущих деталей, а также конструкций и решений в целом, задействованных при разработке сборке ног роботов. Предложен вариант конструкции ног для разрабатываемого робота Антарес. Использованная в колене двухмоторная компоновка обеспечивает большую мощность узла, независимое взаимодействие с соседними узлами бедра и голени при сгибе, кроме того, удалось достичь большего угла сгиба ноги в колене по сравнению с одномоторной компоновкой колена, минимизировано смещение центра масс при выполнении простых движениях. Каждая нога имеет 6 независимых от остальных узлов робота степеней свободы, в сборке с тазовым механизмом количество степеней свободы на каждую ногу в отдельности возрастает до 7, в целом разработанное решение ног для антропоморфного робота Антарес имеет 14 степеней свободы. На этапе изготовления прототипа для проверки и отладки работы узлов в конструкции используются сервоприводы Dynamixel, производства компании Robotis. Для снижения электрической нагрузки на основной аккумулятор робота в бедренных отделах ног предусмотрена установочная площадка для вспомогательных аккумуляторов, осуществляющих питание сервоприводов. Приведены технические характеристики используемых сервоприводов, углы поворотов узлов ног, описаны углы поворотов отдельных узлов. Для ускорения работы и экономии процессорного времени основного вычислительного модуля непосредственное управление сервоприводами выполняется посредством вспомогательных контроллеров, отвечающих за работу всех 6 двигателей, установленных в суставных узлах каждой ноги робота. Разрабатываемый робот ориентирован на применение в образовательных целях для участия в соревнованиях роботов-футболистов, также рассматривается возможность их использования при разработке ассистивных технологий человеко-машинного взаимодействия на основе многомодальных интерфейсов.

Антропоморфные роботы; сервоприводы; кинематическая схема; Антарес; конструкции деталей; двухмоторное колено; тазовый механизм.

* Работа выполнена в рамках бюджетной темы № 0073-2015-0003 при частичной поддержке гранта РНФ № 16-19-00044.

N.A. Pavlyuk, V.Yu. Budkov, M.M. Bizin, A.L. Ronzhin

DESIGN ENGINEERING OF A LEG JOINT OF THE ANTHROPOMORPHIC ROBOT ANTARES BASED ON A TWIN-ENGINE KNEE

In this paper, we consider the problem of design engineering of anthropomorphic robot's legs. An overview of the existing anthropomorphic robots and an analysis of servomechanisms and bearing parts involved in the assembly of robot's legs are presented. We propose an option for constructing the legs of the robot Antares under development. A twin-engine layout, used in the knee joint, ensures higher joint power along with independent interaction with the neighboring hip joints and tibia joints when bending. The larger bending angle of knee joint relative to the single-engine layout is achieved. The displacement of the center of mass while performing simple movements is minimized. Each leg has 6 degrees offreedom independent from other robot units. The number of degrees offreedom of each leg integrated with pelvic mechanism rises to 7. The developed solution for Antares' legs has 14 degrees of freedom. At the stage of the prototype manufacture the Dynamixel actuators produced by Robotis are used to validate and debug the units operation. To reduce the electrical load on the main battery of the robot, the femoral parts of the legs are provided with a mounting pad for additional batteries powering servos. The technical characteristics of the used actuators as well as the rotation angles of leg joints are discussed. Direct control of the servos is also carried out through the sub-controllers, responsible for all 6 engines installed in the articular joints of the robot's legs. The application of the robot Antares is focused on the educational purposes, particularly on participation in robot soccer competitions, as well as on the development of assistive technology of human-computer interaction based on multimodal interfaces.

Anthropomorphic robots; servomechanisms; kinematic scheme; Antares; component parts design; twin-engine knee; pelvic mechanism.

1. Введение. Среди проблемных вопросов наиболее остро стоящих перед разработчиками мобильных роботов общего и специального назначения являются решение вопросов геометрической и опорной проходимости по сильнопересеченной местности, обеспечения автономности движения и управления кинетическим оборудованием роботов [1]. Созданная природой рычажно-шарнирная система передвижения человека и животных наиболее приспособлена для естественной земной поверхности и целесообразна для использования при передвижении антропоморфного робота [2].

Отсутствие единой методологии, математического и программного обеспечения для проектирования рычажно-шарнирных систем антропоморфных роботов вынуждает разработчиков при проектировании каждого конкретного робота создавать свое обеспечение [3-7]. Целью данной статьи является анализ существующих конструктивных решений по построению рычажно-шарнирных механизмов нижних конечностей (ног) антропоморфных роботов и разработка на его основе рациональной конструкции ног для робота Антарес.

2. Анализ современных исследований по проектированию конструкций антропоморфных роботов. Одна из простейших конструкций двуногого робота описана в [8]. Он собран из двухмиллиметрового листового алюминия, включает шесть сервоприводов, управляется контроллером EyeBot и имеет вес 1,11 кг. При ходьбе робот достигает скорости 120 м/час при максимальном угле между бедрами 60 градусов. Подобная конструкция робота с шестью сервоприводами применена в [9] для исследования рабочих углов соединений колена, лодыжки, бедра.

Антропоморфный робот серии HanSaRam, регулярно участвующий в футбольной лиге роботов FIRA с 2000 года, обсуждается в работе [10]. Робот HanSaRam версии HSR-VIII имеет 28 приводов, весит 5,5 кг и развивает скорость до 12 см/с.

В работе [11] антропоморфный робот Lola, имеющий конструкцию ног с 7 степенями свободы, весит 55 кг при росте 180 см. Обсуждается проблема устойчивости робота после остановки, а также поэтапное соприкосновении частей ступни с

поверхностью во время ходьбы. Эластичные материалы носка и каблука ступни робота обеспечивают снижение силы удара на конструкцию робота при касании поверхности.

Домашний ассистивный робот с 14 приводами и 16 степенями свободы, представленный в работе [12], имеет антропоморфную конструкцию только верхней части тела и колесную базу. Основное внимание в работе уделено манипуляции предметов двумя руками роботов при перемещении домашних объектов.

Антропоморфный робот SWUMANOID ростом 92 см, использующий в конструкции 24 сервопривода серии Dynamixel, в исследовании [13] разработан для моделирования движений и плавания в воде. Нестабильное качение тела робота в воде осложняет расчет кинематики движений плывущего робота, состоящего из 21 составного конструктивного элемента.

В работе [14] предложена оригинальная программная платформа для моделирования кинематической схемы движения ног антропоморфных роботов, где элементы ног рассматриваются как последовательно соединенные детали, а для решения прямой и обратной задачи движения ног применяются рекурсивные алгоритмы с пониженной вычислительной сложностью.

Для движения по сложным неровным поверхностям, не проходимых для гусеничных или колесных роботов, также ведутся разработки более сложных неантропоморфных конструкций с одной [15], четырьмя [16], шестью [17, 18] и большим числом нижних конечностей [19].

На основе проведенного анализа конструкций антропоморфных роботов наиболее близкими аналогами к разрабатываемому роботу Антарес были определены робот Poppy французской компании INRIA Flowers и робот Darwin-OP компании Trossen Robotis [3] (табл. 1). Рассмотрим этих роботов более подробно.

Детали антропоморфного робота Poppy созданы на основе 3D-печати, что позволило сильно удешевить производство деталей робота и сделало возможным применение менее мощных сервоприводов, однако отобразилось на его устойчивости и стабильности при ходьбе. Робот имеет 25 сервоприводов Dynamixel MX-64 и MX-28 (табл. 2) [20], обеспечивающих беспрепятственное перемещение конечностей с заданной точностью и запасом по прочности, поскольку редукторы выполнены из металла. Робот управляется одноплатным компьютером Raspberry Pi, оснащен 16 силоизмерительными датчиками, 2 HD-камерами, стереомикрофоном и инерционным измерительным устройством. В качестве «лица» у Poppy используется LCD-экран, на который могут выводиться «эмоции» или информация об ошибках.

Таблица 1

Основные характеристики антропоморфных роботов Poppy и Darwin-OP

Характеристика Poppy Darwin-OP

Высота, см 84 45,5

Вес, кг 3,5 2,9

Углы перемещений частей тела робота:

Голеностопный сустав угол крена отсутствует, а угол тангажа лежит в пределах от 43 градусов вверх, до -45 градусов вниз

Коленный сустав рабочий ход от 0 до 130 градусов

Тазобедренный сустав вперед составляет от 87 градусов вперед, до 87 назад. Угол отклонения в бок наружу составляет 26 градусов, а внутрь до ближайшей ноги 5 градусов, а конструктивная возможность отклонения ноги составляет 28 градусов

Сочленение ноги и тела наружу возможно на 18, а вовнутрь на 5 градусов

Таблица 2

Основные технические характеристики сервоприводов Dynamixel

Характеристика MX-64 MX-28

Рабочее напряжение, В 14,8 12 11,1 14,8 12 11,1

Удерживающий момент, кгхсм/Нхм 74/ 7,3 61/ 6 56/ 5,5 31,6/ 3,1 25,5/ 2,5 23,4/ 2,3

Скорость без нагрузки, об/мин 78 63 58 67 55 50

Вес, г 126 72

Размеры, мм 40.2x61.1x41.0 35.6x50.6x35.5 мм

Разрешение 0.088°

Редукция 1/200 1/193

Углы работы 360 либо непрерывное вращение

Максимальный ток, А 4.1 1.4

Ток в режиме ожидания, мА 100

Рабочие температуры, °С -5 ~ 80

Протокол передачи данных TTL/RS485

Действительные адреса 254

Скорость шины 8000bps ~ 3Mbps

Обратная связь по положению Да

Обратная связь по температуре Да

Обратная связь по напряжению нагрузки Да

Обратная связь по входному напряжению Да

ПИД регулятор Да

Материал Металлические редукторы, корпус из инженерного пластика

Мотор Maxon RE-MAX

Модульная конструкция робота помогает исследователю изменять движения любой конечности путем изолирования желаемой конечности от остальной части тела, практически никак не влияя на производительность (рис. 1). Конструкция специально рассчитана на установку дополнительных датчиков и прокладку соединительных проводов. Кроме того подобный дизайн облегчает периодическое техническое обслуживание робота. Однако центр массы Poppy расположен в солнечном сплетении, что негативно сказывается на распределении нагрузки. Робот становится неустойчив и не способен самостоятельно передвигаться (только с поддержкой человека).

Poppy обладает аналогичным количеством степеней свободы в тазовой части, распределяя их иным способом, но существенно проигрывает в подвижности в коленном и голеностопном узлах. В узлах ног используется всего 3 двигателя (по одному в голеностопном, коленном и тазобедренном узлах), что негативно сказывается на подвижности робота в целом (рис. 2), если судить по видеоматериалам разработчиков и находящимся в свободном доступе проектным файлам робота.

Робот Darwin-OP (табл. 1) представляет собой робототехническую платформу, предназначенную для научных исследований и разработок в рамках образовательного процесса. DARwin OP обладает высокой производительностью, разнообразным набором сенсорных устройств и высокими динамическими характеристиками. Робот взаимодействует с людьми с помощью динамиков, микрофонов, камер, тактильных сенсоров, светодиодов, рук, телодвижений. Имеет 20 сервопривода фирмы Dynamixel, которые обеспечивают беспрепятственное перемещение конечностей с заданной точностью и запасом по прочности, так как шестерни выполнены из ме-

талла. Центр массы расположен в центре таза, обеспечивая оптимальное местоположение для правильного распределения нагрузки и инерции при ходьбе, особенно в конечностях. Модульная конструкция робота помогает исследователю изменять движения любой конечности DARwin OP. Конструкция также рассчитана на установку дополнительных датчиков.

Рис. 1. Трехмерная модель сборки ног робота Poppy

Рис. 2. Функционал узла ноги робота Poppy

3. Разработка конструкции узла ноги антропоморфного робота Антарес.

Для создания конструкции Антарес было выделено несколько этапов, связанных с разработкой узлов ноги, руки, торса и головы. Первоочерёдность разработки узла ноги определяется следующими причинами: высокая сложность компоновки деталей данного узла, необходимость данного узла для перемещения робота в пространстве, сложность просчета конструкции узла в связи с предполагаемой наиболее высокой нагрузкой деталей по отношению ко всем остальным узлам.

Общая конструкция ног включает в себя узел тазового механизма и два идентичных по конструкции узла ног, состоящих из более простых узлов крепления к тазовому механизму, тазобедренного сустава, бедра, колена, голени, голеностопа и стопы. Узлы тазового механизма и ног робота разработаны в соответствии с пропорциями человеческого организма, с поправкой на предполагаемый рост. Их длина составила 510,7 мм. При разработке узлов ног длина голеностопного и бедренного узлов (рис. 3) составила по 20 см (без учета соединений).

Рис. 3. Общий вид конструкции ног

Так как в кинематике робота данные узлы играют роль плеча рычага, такое конструктивное решение является обоснованным, так как разница в длине достигается за счет соединения голенного узла с узлом голеностопного сустава, в свою очередь соединенным со стопой, в то время как бедренный узел соединяется с узлом тазобедренного сустава, соединяющегося с узлом крепления к тазобедренному механизму.

Для снижения электрической нагрузки на основной аккумулятор робота Антарес в бедренных отделах ног будут установлены вспомогательные аккумуляторы (предусмотрена установочная площадка). Таким образом, предполагается не только снизить нагрузку на главный аккумулятор, но и осуществляться контроль питания сервоприводов, что поможет избежать проблем по электропитанию. Чтобы существенно сэкономить вычислительную мощность главного контроллера и компьютера, расположенных в торсе, в бедренных узлах ног также будут установлены вспомогательные контроллеры, отвечающие за работу всех 6 двигателей, установленных в суставных узлах ног робота. Данная конструкция усложняет расчет кинематики движений робота, но обеспечивает более сложные движения.

На основе использования в колене двухмоторной компоновки (рис. 4) получен отдельный узел ноги, взаимодействующий с соседними узлами бедра и голени, позволяя им быть независимыми друг от друга при сгибе (рис. 5). Помимо этого, использование двухмоторного колена упрощает выбор сервопривода, так как в таком колене нагрузка делится на два отдельных двигателя. Еще одним плюсом данного узла является то, что упрощается разработка конструкции вышеупомянутых узлов бедра и голени.

Рис. 4. Двухмоторное колено

Рис. 5. Возможности функционального использования двухмоторного колена

Основу конструкции ноги робота Антарес составляют соединенные между собой прямые пластины, соединенные стяжками и поперечными пластинами (рис. 6). При производстве деталей использованы листы алюминия толщиной 2, 4 и 10 мм. Для поперечных стяжек применены алюминиевые прутья толщиной 6 мм.

Рис. 6. Сборки голенного и бедренного узлов

Детали, изготовленные из листа алюминия толщиной 2 мм, составляют основу узлов бедра, голени, стопы и тазового крепления. Детали узлов, выполненные из двухмилиметрового листа, конструктивно предназначены для: силовых нагрузок; давления сверху.

В качестве ребер жесткости, предназначенных для нагрузок на кручение, используются детали, изготовленные из листов алюминия толщиной 4 мм. Из этих листов сделаны поперечные стойки голени и бедра, а также пластины крепления к тазобедренной пластине (толщиной 4 мм) и пластине стопы. Подразумевается также их использование для размещения внутренних элементов, таких как вспомогательный аккумулятор, контроллера для сервоприводов всего узла ноги. Наряду с поперечными пластинами в конструкции в качестве ребер жесткости использованы алюминиевые прутья. Последние используются только как элементов усиления конструкции.

В голенном узле для достижения достаточно надежной структуры используется более широкая поперечная пластина. Это было необходимо для того, чтобы голеностопный сустав мог использоваться максимально эффективно, для чего требовалось обеспечить голеностопному суставу свободное использование внутреннего пространства голенного узла. Стяжка в данном случае служит не только ребром жесткости, но и ограничителем, чтобы голеностопный узел, работая, не сломался и не привел к поломке других узлов.

Из листов алюминия толщиной 10 мм изготовлен один тип деталей - специальная пластина под подшипник, используемая для сборки узла тазобедренного и голеностопного суставов.

Для двигателей Dynamixel MX-64, используемых в узлах ноги, были изготовлены фланцы, которые необходимы для соединения не связанных между собой частей узлов и отдельных деталей для обеспечения подвижности и устойчивости. Фланцы расположены в специальном гнезде на корпусе двигателя, на подшипнике и закреплены специальной крышкой, которая не допускает развала конструкции при движении и из-за вибраций. Обязательным требованием к подшипнику является высота в 3,5 мм, для соблюдения центровки осевого расположения двигателей в общей конструкции, что важно при движении робота в узле ноги в отдельности.

Тазовый механизм расположен в нижней части торса робота Антарес и предназначен для осевых поворотов ног, а также размещения в нем основного аккумулятора робота Антарес. Конструкция включает в себя две втулки, шестерни с передаточным числом 1:1 и два двигателя Dynamixel MX-28 (табл. 2), две пластины толщиной 2 мм, фланцевые подшипники 8x14 (рис. 7). Выбор менее мощных сервоприводов по сравнению с приводами, используемыми в конструкции других узлов ног, обоснован тем, что для осевых поворотов не требуется большая мощность двигателей.

Рис. 7. Тазовый механизм

Для снижения электрической нагрузки на основной аккумулятор робота, в бедренных отделах ног будут установлены вспомогательные аккумуляторы, для которых предусмотрена установочная площадка. Таким образом будет не только снижаться нагрузка на главный аккумулятор, но и осуществляться контроль питания сервоприводов, что поможет избежать различных проблем вроде короткого замыкания и тому подобного. Чтобы существенно сэкономить вычислительную мощность главного контроллера и компьютера, расположенных в торсе, в бедренных узлах ног так же будут установлены вспомогательные контроллеры, отвечающие за работу всех 6 двигателей, установленных в суставных узлах ног робота.

Тазобедренный и голеностопные суставы ног выполнены посредством попарного соединения двигателей металлическими вставками, в корпусе двигателей применяется особо прочный пластик или же алюминий, что позволяет выдерживать физические нагрузки, приходящиеся на корпус двигателей во время движения (рис. 8). Попарное соединение двигателей необходимо для экономии места в конструкции, во избежание излишней массивности, что необходимо для обеспечения подвижности и гибкости собранных узлов в частности и сборки узла ноги в целом.

a б

Рис. 8. Узлы суставов: а - тазобедренного; б - голеностопного

Конструкция ноги разработана таким образом, что обеспечивает двигателям большие углы поворота, что дает большую гибкость и пластичность узла по сравнению с приведенными аналогами. При необходимости робот без затруднений сможет встать на шпагат и также без затруднений встать с него, высоко поднять ногу прямо или под углом, согнуть ее в колене, при этом сохраняя по необходимости стопу параллельной полу. Возможны самые различные приседания, а не какое-то конкретно заданное движение, как у аналогов, вплоть до касания тазовым механизмом пола без угрозы поломки узлов тазового механизма или механизмов узлов ног. Голеностопный сустав отдельно от всего остального механизма ноги может поворачивать стопу на 90 градусов как вправо, так и влево. Осевые повороты, доступные за счет узла тазового механизма, доступны в пределах 270 градусов (рис. 9).

Не считая тазового механизма, отвечающего за осевые повороты ног и являющегося отдельным узлом, в конструкции ног применены сервоприводы Dynamixel MX-64. Каждый Dynamixel имеет уникальный ID для подключения к общей шине данных, поддерживают соединения по TTL, RS485 и прочим, возможность подключения в общую шину управления, имеющиеся функции активации LED или аварийного отключение (Torque-off) могут быть установлены на заданные значения температуры, тока и напряжения. Данные сервоприводы можно настроить двигаться более плавно. Управление сервоприводами Dynamixel может осуществляться с ПК либо микроконтроллера, что является большим плюсом при разработке прототипов.

Без установленных в бедренном узле аккумулятора и контроллера, расчетный вес металлического каркаса, сервоприводов и фланцевых соединений в сумме составил 1,07 кг, из которых 756 г приходится на сервоприводы Dynamixel MX-64. Сборка двух узлов ног и тазового механизма составляет 2,44 кг.

Рис. 9. Углы поворотов ноги

Заключение. Проведенный анализ антропоморфных роботов показал наличие моделей от 30 см до 180 см с различным числом степеней свободы и кинематическими схемами. Наиболее близкими аналогами к разрабатываемому роботу Антарес были найдены роботы Poppy и Darwin-OP. При разработке конструкции ног робота Антарес в колене использована двухмоторная компоновка, обеспечивающая большую мощность узла, независимое взаимодействие с соседними узлами бедра и голени при сгибе. Снижение электрической нагрузки на основной аккумулятор робота достигается за счет использования вспомогательных аккумуляторов в бедренных отделах ног, осуществляющих питание сервоприводов. Непосредственное управление сервоприводами также выполняется посредством вспомогательных контроллеров, отвечающих за работу всех 6 двигателей, установленных в суставных узлах ног робота. Разрабатываемый робот ориентирован на применение в образовательных целях для участия в соревнованиях роботов-футболистов, а также при разработке ассистивных технологий человеко-машинного взаимодействия на основе многомодальных интерфейсов [21-23].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кудряшов В.Б., Лапшов В.С., Носков В.П., Рубцов И.В. Проблемы роботизации ВВТ в части наземной составляющей // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2014. - № 3 (152).

- С. 42-57.

2. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В., Верейкин А.А., Кулаков Б.Б., Кар-гинов Л.А. Метод проектирования пространственных древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Инженерный вестник. МГТУ Н.Э. Баумана. - 2014.

- № 11. - С. 6-10.

3. Карпенко А.П. Робототехника и системы автоматизированного проектирования. Учебное пособие. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 71 с.

4. Лапшин В.В. Механика и управление движением шагающих машин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 19 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Лапшин В.В. Об устойчивости движения шагающих машин // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. - № 6. - С. 319-335.

6. Зельцер А.Г., Верейкин А.А., Гойхман А.В., Савченко А.Г., Жуков А.А., Демченко М.А. Концепция экзоскелета капсульного типа для аварийноспасательных операций // Инженерный вестник. МГТУ Н.Э. Баумана. - 2015. - № 3. - С. 14-22.

7. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Каргинов Л.А. Исследование динамики исполнительного механизма экзоскелета нижних конечностей с учётом реакций опорной поверхности // Наука и образование. МГТУ Н.Э. Баумана. - 2014. - № 29. - С. 256-278.

8. Warnakulasooriyaa S., Bagheria A., Sherburnb N., Shanmugavel M. Bipedal Walking Robot -A developmental design // Procedia engineering. - 2012. - No. 41. - P. 1016-1021.

9. Lima S.C., Yeapa G.H. The Locomotion of Bipedal Walking Robot with Six Degree of Freedom // Procedia Engineering. - 2012. - No. 41. - P. 8-14.

10. Yoo J.K., Lee B.J., Kim. J.H. Recent Progress and Development of the Humanoid Robot Hansaram //Robotics and Autonomous Systems. - 2009. - No. 57. - P. 973-981.

11. Buschmann T., Lohmeier S., Ulbrich H. Humanoid Robot Lola: Design and Walking Control // Journal of Physiology. - 2009. - No. 103. - P. 141-148.

12. Mohameda Z., Capi G. Development of a New Mobile Humanoid Robot for Assisting Elderly People // Procedia Engineering. - 2012. - Vol. 41. - P. 345-351.

13. Nakashima M., Tsunoda Y. Improvement of Crawl Stroke for the Swimming Humanoid Robot to Establish an Experimental Platform for Swimming Research // Procedia Engineering. - 2015.

- Vol. 112. - P. 517-521.

14. Shah S.V., Saha S.K., Dutt J.K. Modular Framework for Dynamic Modeling and Analyses of Legged Robots // Mechanism and Machine Theory. - 2012. - No. 49. - P. 234-255.

15. YuaX., Fub C., Chen K. Modeling and Control of a Single-legged Robot // Procedia Engineering. - 2011. - Vol. 24. - P. 788-792.

16. Potts A.S., Jaime da Cruz J. A Comparison Between Free Motion Planning Algorithms Applied to a Quadruped Robot Leg // IFAC-papersonline. - 2015. - No. 48-19. - P. 019-024.

17. Rostro-Gonzalez H., Cerna-Garcia P.A., Trejo-Caballero G., Garcia-Capulin C.H., Ibarra-Manzano M.A., Avina-Cervantes J.G., Torres-Huitzil C. A CPG System Based on Spiking Neurons for Hexapod Robot Locomotion // Neurocomputing. - 2015. - Vol. 170. - P. 47-54.

18. Pan P.S., Wu C.M. Design of a Hexapod Robot with a Servo Control and a Man-Machine Interface // Robotics and Computer-Integrated manufacturing. - 2012. - Vol. 28. - P. 351-358.

19. Vidoni R., Gasparetto A. Efficient Force Distribution and Leg Posture for a Bio-Inspired Spider Robot // Robotics and Autonomous Systems. - 2011. - Vol. 59. - P. 142-150.

20. Электронный каталог компаний «ROBOTIS». Режим доступа: http://en.robotis.com/index/product.php?cate_code=101011 (дата обращения: 03.03.16).

21. Ронжин А.Л., Будков В.Ю., Ронжин А.Л. Технологии формирования аудиовизуального интерфейса системы телеконференций // Автоматизация. Современные технологии.

- 2011. - № 5. - С. 20-26.

22. Карпов А.А., Ронжин А.Л. Многомодальные интерфейсы в автоматизированных системах управления // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2005. -Т. 48, № 7. - С. 9-14.

23. Karpov A.A., Ronzhin A.L. Information Enquiry Kiosk with Multimodal User Interface // Pattern Recognition and Image Analysis, Moscow: MAIK Nauka/Interperiodica. - 2009. - Vol. 19, № 3. - P. 546-558.

REFERENCES

1. Kudryashov V.B., Lapshov V.S., Noskov V.P., Rubtsov I.V. Problemy robotizatsii VVT v chasti nazemnoy sostavlyayushchey [Problems of robotization for military ground technics], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2014, No. 3 (152), pp. 42-57.

2. Koval'chuk A.K., Kulakov D.B., Semenov S.E., Yarots V.V., Vereykin A.A., Kulakov B.B., Karginov L.A. Metod proektirovaniya prostranstvennykh drevovidnykh ispolnitel'nykh mekhanizmov shagayushchikh robotov [Method for designing spatial tree-like actuators of walking robots], Inzhenernyy vestnik. MGTU N.E. Baumana [Engineering bulletin of the Bau-man MSTU], 2014, No. 11, pp. 6-10.

3. Karpenko A.P. Robototekhnika i sistemy avtomatizirovannogo proektirovaniya: Uchebnoe posobie [Robotics and computer-aided design systems. Teaching guide]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana [Bauman MTSU Publ. House], 2014, 71 p.

4. Lapshin V.V. Mekhanica i upravlenie dvizheniem shagayushchikh mashin [Mechanics and motion control of walking machines], Moscow, Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana [Bauman MTSU Publ. House], 2012. 19 p.

5. Lapshin V.V. Ob ustoychivosti dvizheniya shagayushchikh mashin [About the walking machine motion stability], Nauka I Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MTSU], 2014, No. 6, pp. 319-335.

6. Zeltser A.G., Vereikin A.A., Goyhman A.V., Savchenko A.G., Zhukov A.A., Demchenko M.A. Kontseptsiya ekzoskeleta kapsul'nogo tipa dlya avariynospasatel'nykh operatsiy [The concept of capsular exoskeleton for rescue operations] Inzhenernyy vestnik MGTU im. N.E. Baumana [Egineering bulletin of the Bauman MSTU], 2015, No 3, pp. 14-22.

7. Vereikin A.A., Kovalchuk A.K., Karginov L.A. Issledovanie dinamiki ispolnitel'nogo mekhanizma ekzoskeleta nizhnikh konechnostej s uchyotom reakcij opornoj poverkhnosti [The Lower Extremities Exoskeleton Actuator Dynamics Research Taking into Account Support Reaction] Nauka I Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MTSU], 2014, No 29, pp. 256-278.

8. Warnakulasooriyaa S., Bagheria A., Sherburnb N., Shanmugavel M. Bipedal Walking Robot -A developmental design, Procedia engineering, 2012, No. 41, pp. 1016-1021.

9. Lima S.C., Yeapa G.H. The Locomotion of Bipedal Walking Robot with Six Degree of Freedom, Procedia Engineering, 2012, No. 41, pp. 8-14.

10. Yoo J.K., Lee B.J., Kim. J.H. Recent Progress and Development of the Humanoid Robot Hansaram, Robotics and Autonomous Systems, 2009, No. 57, pp. 973-981.

11. Buschmann T., Lohmeier S., Ulbrich H. Humanoid Robot Lola: Design and Walking Control, Journal of Physiology, 2009, No. 103, pp. 141-148.

12. Mohameda Z., Capi G. Development of a New Mobile Humanoid Robot for Assisting Elderly People, Procedia Engineering, 2012, Vol. 41, ppP. 345-351.

13. Nakashima M., Tsunoda Y. Improvement of Crawl Stroke for the Swimming Humanoid Robot to Establish an Experimental Platform for Swimming Research, Procedia Engineering, 2015, Vol. 112, p. 517-521.

14. Shah S.V., Saha S.K., Dutt J.K. Modular Framework for Dynamic Modeling and Analyses of Legged Robots, Mechanism and Machine Theory, 2012, No. 49, pp. 234-255.

15. Yua X., Fub C., Chen K. Modeling and Control of a Single-legged Robot, Procedia Engineering, 2011, Vol. 24, pp. 788-792.

16. Potts A.S., Jaime da Cruz J. A Comparison Between Free Motion Planning Algorithms Applied to a Quadruped Robot Leg, IFAC-papersonline, 2015, No. 48-19, pp. 019-024.

17. Rostro-Gonzalez H., Cerna-Garcia P.A., Trejo-Caballero G., Garcia-Capulin C.H., Ibarra-Manzano M.A., Avina-Cervantes J.G., Torres-Huitzil C. A CPG System Based on Spiking Neurons for Hexapod Robot Locomotion, Neurocomputing, 2015, Vol. 170, pp. 47-54.

18. Pan P.S., Wu C.M. Design of a Hexapod Robot with a Servo Control and a Man-Machine Interface, Robotics and Computer-Integrated manufacturing, 2012, Vol. 28, pp. 351-358.

19. Vidoni R., Gasparetto A. Efficient Force Distribution and Leg Posture for a Bio-Inspired Spider Robot, Robotics and Autonomous Systems, 2011, Vol. 59, pp 142-150.

Статью рекомендовал копубликованию д.т.н., профессор В.Ф. Шишлаков.

Павлюк Никита Андреевич - Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук; e-mail: pavlyk.nikita@gmail.com; 199178, г. Санкт-Петербург,

14 линия В.О., 39; тел.: 88123287081; лаборатория автономных робототехнических систем;

аспирант.

Будков Виктор Юрьевич - e-mail: budkov@iias.spb.su; лаборатория автономных робототех-нических систем; к.т.н.

Бизин Максим Михайлович - e-mail: bizin@iias.spb.su; лаборатория автономных робото-технических систем; м.н.с.

Ронжин Андрей Леонидович - e-mail: ronzhin@iias.spb.su; лаборатория автономных робото-технических систем; д.т.н., профессор.

Pavliuk Nikita Andreevich - St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of the Russian Academy of Sciences; e-mail: pavlyk.nikita@gmail.com; 39, 14-th Line V.O., St. Petersburg, 199178, Russia; phone: +78123287081; laboratory of autonomous robotic systems; postgraduate student.

Budkov Viktor Yurievich - e-mail: budkov@iias.spb.su; laboratory of autonomous robotic systems; Dr. Tech. Sci., Professor.

Bizin Maxim Mikhailovich - e-mail: bizin@iias.spb.su; laboratory of autonomous robotic systems; researcher.

Ronzhin Andrey Leonidovich - e-mail: ronzhin@iias.spb.su; laboratory of autonomous robotic systems; dr. of eng. sc.; professor.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.