Инженеры шагающих роботов сталкиваются с большими проблемами при создании систем редукторных двигателей для роботов с ногами. В большинстве новых двуногих роботов, таких как робот LEO, используются электрические приводы с шестернями, расположенными близко к телу. Такая конструкция делает ноги легче и помогает роботу двигаться с большим контролем и скоростью. Двуногие и другие роботы с ногами должны решить множество проблем, чтобы хорошо двигаться:

• Сложное управление движением из-за сложной динамики и множества способов перемещения робота.

• Удержание равновесия с помощью многоуровневого моторного контроля и рефлекторных представлений.

• Робот экономит энергию и сохраняет устойчивость, особенно при ходьбе по неровной поверхности.

• Использование сенсорной обратной связи помогает роботу идти уверенно.

Биоинспирированные детали, продуманные схемы управления и эффективное использование энергии очень важны для лучшего передвижения двуногих. Инженеры и любители могут использовать эти идеи для создания устойчивых, безопасных и умных роботов.

Основные выводы

• Шагающие роботы должны хорошо держать равновесие и использовать умное управление, чтобы безопасно ходить по разным поверхностям. Выбор оптимальных двигателей и передаточных чисел помогает роботам быстро передвигаться и переносить тяжелые предметы. Использование таких датчиков, как датчики силы и акселерометры, помогает роботам менять шаг и не падать. Хорошая механическая конструкция и энергосберегающие детали помогают роботам служить дольше и работать лучше. Двуногие роботы легче и быстрее, но требуют тщательного управления. Четырехногие роботы более устойчивы и лучше справляются с неровной поверхностью.

Потребности в локомоции шагающих роботов

Устойчивость и равновесие

Устойчивость очень важна для роботов с ногами. Инженерам необходимо создавать роботов, которые могут сохранять равновесие на ровной или ухабистой поверхности. Чтобы не упасть, роботы должны менять ширину и длину своих шагов. Это особенно важно, когда земля меняется. Баланс между сторонами имеет большее значение, чем движение вперед-назад. Реальные места могут быть сложными, поэтому роботы должны быстро реагировать, чтобы оставаться устойчивыми. Кинематические приводы ног и биоинспирированные актуаторы помогают роботам справляться с неровностями и различными поверхностями. Эти идеи помогают роботам сохранять равновесие и не падать, даже если они ударяются о предметы.

Совет: попробуйте использовать управление импедансом в пространстве задачи и гибридное управление адмиттансом. Они помогают роботам сохранять равновесие, если они натыкаются на что-то при ходьбе.

Мощность и крутящий момент

Мощность и крутящий момент необходимы для того, чтобы роботы хорошо ходили. Роботу требуется достаточное усилие, чтобы поднимать и перемещать свое тело. Актуаторы и редукторы работают вместе, чтобы придать каждому суставу нужный крутящий момент. В двуногих и четвероногих роботах система питания обеспечивает энергией двигатели. Инженеры подбирают передаточные числа, чтобы сбалансировать скорость и силу. Это помогает роботам хорошо передвигаться по любому грунту. Биоинспирированные актуаторы с серийной эластичностью помогают смягчить удары и снизить ошибки. Они также помогают экономить энергию. Благодаря этому роботы лучше двигаются и остаются устойчивыми в реальной жизни.

Точность и эффективность

Точность и эффективность помогают роботам лучше ходить. Хорошие коробки передач и редукторы позволяют инженерам хорошо контролировать крутящий момент и скорость. Благодаря этому роботы ходят более плавно и с меньшим количеством ошибок. Эффективные мотор-редукторы потребляют меньше энергии и служат дольше. Им также требуется меньше ремонта. Бесколлекторные двигатели, бесщеточные двигатели постоянного тока и серводвигатели - все они имеют свои преимущества для роботов с ногами. Правильный выбор деталей помогает роботам двигаться правильно и не тратить энергию впустую. Энергосберегающие конструкции позволяют роботам работать дольше и выполнять больше заданий в день.

Двуногие локомоции Мотор-редукторы

Типы двигателей

Инженерам необходимо правильно подобрать мотор-редукторы для двуногих роботов. Наиболее распространенными типами двигателей для этих роботов являются:

• Двигатели постоянного тока: Эти двигатели приводят в движение ноги или суставы робота. Они дают большую силу и хорошо управляются с помощью датчиков. Двигатели постоянного тока помогают роботу ходить плавно и быстро реагировать.

• Сервомоторы: Многие роботы используют сервомоторы для перемещения суставов. Сервомоторы маленькие и простые в использовании. Они позволяют роботу двигать ногами под точным углом, что очень важно для ходьбы.

• Шаговые двигатели: Шаговые двигатели помогают роботу перемещать ноги в нужное место. Они могут удерживаться на месте без дополнительных усилий. Это помогает роботу останавливаться или балансировать во время ходьбы.

• Линейные приводы: Они заставляют детали двигаться по прямой линии. Инженеры используют их вместе с другими двигателями, чтобы растягивать или оттягивать ноги. Это помогает роботу ходить более широкими шагами.

• Пневматические или гидравлические приводы: В больших роботах иногда используются именно они. Они прикладывают большое усилие, которое помогает роботу поднимать тяжелые предметы или ходить по неровной поверхности.

Совет: подумайте о весе робота, о том, сколько у него суставов и как быстро он должен ходить. Попробуйте разные двигатели, чтобы понять, какой из них лучше всего подходит для вашего робота.

Крутящий момент и скорость

Крутящий момент и скорость очень важны для того, как ходят двуногие роботы. Передаточные числа изменяют скорость и силу движения ног робота. Инженеры должны найти правильное сочетание, чтобы робот хорошо ходил.

• Благодаря малым передаточным числам ноги двигаются быстрее. Они используют собственный вес робота для движения, что облегчает перемещение ног вперед-назад. Это хорошо подходит для быстрых, легких шагов.

• Большие передаточные числа помогают роботу переносить больший вес. Они дают больше силы, но заставляют ноги двигаться медленнее. Это лучше для медленных и сильных движений, например, для удержания тела робота.

• Приводы с переменным передаточным числом (VGA) могут переключаться между быстрым и сильным режимами. Это позволяет роботу выбрать оптимальную скорость или силу для каждой части ходьбы. Например, он может быстро двигать ногой при качании и использовать больше силы при стоянии.

• Алгоритмы управления могут самостоятельно выбирать оптимальное передаточное число. Это помогает роботу потреблять меньше энергии и лучше работать во время ходьбы.

• Переключение передаточных чисел во время ходьбы позволяет роботу двигаться быстро и переносить тяжелые грузы. Это помогает роботу справляться с неровностями и изменениями рельефа.

Примечание: Всегда пробуйте передаточные числа с помощью контроллера вашего робота. Меняйте передаточные числа в соответствии с тем, как ходит ваш робот и по какой местности он будет ходить.

Управление и датчики

Для безопасной ходьбы двуногих необходимы хорошее управление и датчики. Инженеры используют обратную связь в реальном времени, чтобы робот был устойчивым и быстрым.

Исследования показывают, что для обратной связи в двуногих роботах лучше всего подходят акселерометры и датчики силы. Эти датчики измеряют такие параметры, как угол наклона суставов, скорость, положение ног и перемещение веса робота. Эти данные помогают контроллеру робота проверять безопасность каждого шага и быстро вносить изменения. Благодаря этим датчикам робот может угадать, будет ли шаг устойчивым, еще до того, как он его сделает. Это помогает предотвратить падения и сохранить равновесие робота.

Современные роботы используют интеллектуальные алгоритмы управления походкой, чтобы лучше ходить. В таблице ниже представлены новые тенденции и способы управления двуногой походкой:

Инженеры могут использовать эти идеи управления, чтобы помочь роботу ходить в новых местах и выполнять новую работу. Например, технология Central Pattern Generation (CPG) заставляет ноги робота двигаться в ритме, как у животных. Нейронные сети (NN) помогают роботу научиться сложным движениям и меняться, когда ситуация меняется. Обучение с подкреплением (Reinforcement Learning, RL) позволяет роботу лучше ходить, обучаясь на основе происходящего.

Совет: Используйте обратную связь с датчиками и интеллектуальные алгоритмы управления для лучшей ходьбы двуногих. Протестируйте контроллер вашего робота на разных поверхностях, чтобы убедиться, что он хорошо ходит.

Четырехколесные мотор-редукторы

Механизмы ног

Четырехногим роботам нужны сильные и гнущиеся ноги. Это помогает им передвигаться по разным типам грунта. Инженеры часто выбирают последовательную или параллельную конструкцию ног. Чаще всего используется последовательная нога, состоящая из двух частей. Она проста и подходит для многих видов работ. Некоторые четвероногие роботы используют гидравлический привод для большего усилия. Это помогает им ходить по неровной поверхности и переносить тяжести. Биоинспирированные конструкции добавляют гибкий позвоночник и способы накопления энергии. Эти особенности помогают роботам экономить энергию при рыси или галопе. Если туловище робота может сгибаться и накапливать энергию, он двигается более похоже на животных и потребляет меньше энергии.

Чтобы создать хороших ножных роботов, инженеры используют специальные методы проектирования. Они пытаются сбалансировать силу, скорость и прочность. Эволюционные алгоритмы помогают найти оптимальные формы и конструкции ног. Гидравлические ноги могут передавать до 94% силы, но инженеры должны следить за потерей энергии в насосах и клапанах. Добавление гибких и эластичных деталей помогает роботам двигаться лучше. Но это также усложняет управление. Инженеры должны протестировать различные конструкции ног, чтобы понять, какая из них лучше всего подходит для их робота и земли.

Совет: Используйте эластичные детали в ногах для накопления и отдачи энергии. Это поможет роботу двигаться быстрее и расходовать меньше энергии на неровной поверхности.

Синхронизация

Синхронизация обеспечивает правильное движение всех четырех ног. В четвероногих роботах инженеры используют такие схемы управления, как центральные генераторы паттернов (CPG). CPG используют специальные осцилляторы для синхронизации движения каждой ноги. Это помогает роботу сохранять устойчивую походку, особенно на ровной поверхности.

Иногда робот наезжает на кочки или быстро меняет направление движения. В этом случае синхронизация может нарушиться. Чтобы исправить ситуацию, инженеры используют алгоритм управления кинетическим моментом (KMMA). KMMA позволяет каждой ноге сохранять свой собственный шаг и размер шага. Это работает, даже если робот сталкивается с большими неровностями. Таким образом, роботу не нужны дополнительные системы управления. Он сохраняет устойчивость при беге или поворотах.

Планы синхронизации помогают роботам контролировать скорость, направление и равновесие. Благодаря устойчивости шагов робот может преодолевать новые участки и оставаться в безопасности. Инженеры должны попробовать разные планы синхронизации, чтобы найти оптимальный для своего робота.

Примечание: Всегда проверяйте, как робот ходит по разным поверхностям. Измените настройки синхронизации, чтобы поддерживать устойчивость робота и экономить энергию.

Распределенное управление

Распределенное управление позволяет четвероногим роботам быстро реагировать на изменения на местности. Каждая нога имеет свой контроллер и датчики. Такая система позволяет роботу принимать решения прямо на каждой ноге. Роботу не нужно посылать каждый сигнал на главный компьютер. Это сокращает задержки и помогает роботу сохранять устойчивость.

Распределенное управление делает роботов сильнее и эффективнее, особенно на неровной поверхности. Локальные контуры управления используют данные датчиков силы и крутящего момента на ногах. Это позволяет роботу сразу же менять движения ног. Если одна нога коснулась земли раньше времени, локальный контроллер может быстро изменить траекторию движения. Роботу не нужно ждать команд высокого уровня. Это делает робота более независимым и позволяет ему лучше справляться с неожиданностями.

Инженеры используют распределенное управление для соединения множества датчиков и подвижных частей, например, искусственных позвоночников. Это помогает роботу менять форму и сохранять равновесие. Робот может использовать устойчивые походки и перемещать центр тяжести, чтобы оставаться в вертикальном положении. Многоточечные контактные ноги с датчиками помогают роботу сцепляться с твердой поверхностью и передвигаться по ней.

Системы мотор-редукторов важны для работы с различными грунтами. Высокомоментные приводы с планетарными редукторами с низким передаточным числом обеспечивают прочность и гибкость. Эти мотор-редукторы позволяют роботу двигаться назад, если это необходимо. Робот может реагировать на внешние силы и изменять свои движения. Планы управления используют данные датчиков IMU и энкодеров суставов для определения уклона и опорной поверхности. Затем робот меняет положение тела и ног, чтобы добиться наилучшего сцепления с поверхностью и сохранить устойчивость.

Некоторые четвероногие роботы используют интеллектуальные системы Например, быстрая адаптация двигателя (Rapid Motor Adaptation, RMA). Эти системы учатся на основе движений робота и данных датчиков. Робот может изменять свою походку и усилие в режиме реального времени, даже на новой или скользкой поверхности. Такое сочетание продуманной конструкции и управления помогает роботам справляться с трудностями и изменениями.

Совет: используйте распределенное управление для обработки данных датчиков на каждой ноге. Это поможет роботу быстрее реагировать и сохранять устойчивость на неровной поверхности.

Благодаря продуманной конструкции ног, хорошей синхронизации и распределенному управлению инженеры могут создавать четвероногих роботов, которые хорошо двигаются, справляются с любым грунтом и устойчивы. Эти решения помогают командам создавать роботов, готовых к работе в реальных условиях.

Проектирование локомоции роботов

Механическое проектирование

Механическая конструкция влияет на то, насколько хорошо двигаются роботы. Инженеры работают над интеграция мотор-редукторов, расположение пружин и конструкция рамы. В них используются параллельные пружины, чтобы двигатели выполняли меньше работы. Это экономит электроэнергию и позволяет батареям служить дольше. Маленькие моторы выделяют меньше тепла. В таблице ниже перечислены важные моменты конструкции и то, как они помогают роботам с ногами:

Инженерам приходится балансировать между крутящим моментом и скоростью. Больший крутящий момент заставляет роботов ходить быстрее, но при этом расходуется больше энергии. На приведенном ниже графике показано, как стоимость механической части изменяется в зависимости от крутящего момента:

Реконфигурируемые каркасы помогают роботам выполнять новую работу. Они позволяют роботам менять способ передвижения для разных условий. Модульные детали и регулируемые колеса делают роботов более гибкими и прочными.

Интеграция датчиков

Интеграция датчиков помогает роботам ходить более точно. Инженеры используют множество датчиков, таких как лазерные сканеры, гироскопы, акселерометры, датчики силы и крутящего момента, а также датчики давления. Они объединяют эти датчики с помощью технологии sensor fusion. Это позволяет объединить данные кинематики, инерциальной системы, системы технического зрения и LIDAR для более точной оценки состояния.

Стратегии, основанные на обучении, используют модели мира для очистки данных датчиков. Эти модели помогают роботам справляться с шумами датчиков и изменениями в реальном мире. Инженеры используют генераторы траекторий с сенсорной обратной связью. Это позволяет роботам ходить по неровной поверхности. Датчики давления в ногах робота передают данные о контактах. Это помогает сцеплению с поверхностью и плавной ходьбе.

Совет: попробуйте алгоритмы картографирования и удаления артефактов. Это поможет роботам лучше видеть землю с помощью дешевых датчиков.

Алгоритмы управления

Алгоритмы управления указывают роботам, как двигаться. Инженеры используют несколько основных методов управления:

Инженеры часто смешивают эти алгоритмы для гибридного управления. Например, они используют CPG для базовой ходьбы и MPC для баланса. Это помогает роботам с ногами оставаться устойчивыми и эффективными в реальной жизни.

Управление энергией

Управление энергопотреблением помогает роботам работать дольше. Инженеры выбирают двигатели, приводы и контроллеры, которые потребляют меньше энергии. Они пишут программы, чтобы не тратить энергию впустую. Регулярные проверки позволяют поддерживать работоспособность всех деталей и экономить энергию. Рекуперативное торможение позволяет роботам возвращать энергию при движении.

• Выбирайте эффективные детали для экономии энергии.

• Запрограммируйте роботов так, чтобы они не тратили энергию впустую.

• Поддерживайте роботов в хорошем состоянии, чтобы экономить энергию.

• Используйте рекуперативное торможение, чтобы вернуть энергию.

Эти шаги помогут роботам с ногами служить дольше и работать лучше. Правильное управление энергией означает, что роботы работают эффективнее, надежнее и обходятся дешевле.

Двуногие и четвероногие локомоции

Сильные и слабые стороны

Инженеры рассматривают двуногих и четвероногих роботов, чтобы понять, что лучше работает. У каждого типа есть хорошие и плохие стороны для передвижения в реальном мире. В таблице ниже показано, как они различаются по потребностям в мотор-редукторах, балансу и управлению:

Двуногие роботы двигаются резвее и легче. Но они нуждаются в умном управлении, чтобы не упасть. Четвероногие роботы более устойчивы и могут ходить по неровной поверхности. Но они тяжелее и не такие быстрые.

Сценарии применения

Двуногие и четвероногие роботы используются для разных работ. В таблице ниже показано, где каждый тип работает лучше всего:

Двуногие роботы подходят для мест, предназначенных для людей. Четвероногие роботы лучше работают на улице и в труднодоступных местах.

Советы по дизайну

Используя эти советы, инженеры могут сделать роботов лучше ходящими:

• Используйте соединенные детали, такие как четырехзвенник или пантограф, чтобы двуногие роботы могли двигаться с меньшим количеством двигателей.

• Выбирайте прочные материалы, соответствующие тому, куда будет двигаться робот.

• Заранее выберите систему питания, чтобы она работала вместе с двигателями.

• Добавьте датчики, которые помогают роботу в его работе, например, датчики, позволяющие видеть препятствия или чувствовать землю.

• Сделайте корпус робота легко открываемым для проверки батарей и датчиков.

• Проверьте подвижные части перед сборкой всего робота, чтобы проверить баланс.

• Используйте 3D-печать или фрезеровку с ЧПУ для изготовления прочных и точных деталей.

• Простой дизайн, удобное управление и экономия энергии - все это обеспечивает наилучшую проходимость.

Примечание: Не используйте пружины, которые не подходят, тяжелые двигатели или плохие редукторы. Остерегайтесь проблем с управлением и сложных в использовании конструкций. Это может сделать робота менее устойчивым и менее удобным для людей.

Для шагающего робота необходима правильная система мотор-редукторов и схема управления. Это поможет роботу двигаться уверенно и стабильно. Инженеры должны подбирать стратегии управления для каждого робота и вида работ. Для двуногой локомоции лучше всего подходит адаптивное управление. Этот тип управления изменяет время, жесткость и силу для каждого шага. Четвероногие роботы используют ритмичные контроллеры, чтобы их походка была устойчивой. Биоинспирированные идеи, такие как двойное обучение и центральные генераторы паттернов, помогают двуногим роботам осваивать новые способы ходьбы и справляться с изменениями. Инженеры могут заставить роботов ходить лучше, тестируя и настраивая новые адаптивные методы. Не совершайте распространенных ошибок. Продолжайте изучать двуногую локомоцию, чтобы добиться лучших результатов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Как правильно выбрать мотор-редуктор для шагающего робота?

Сначала посмотрите, насколько тяжел робот. Посчитайте, сколько у робота суставов. Подумайте, как быстро он должен двигаться. Попробуйте разные двигатели и передаточные числа, чтобы понять, что работает. Составьте таблицу для сравнения крутящего момента, скорости и эффективности. Это поможет вам выбрать лучший двигатель для вашего робота.

Какие датчики помогают улучшить устойчивость робота при ходьбе?

Датчики силы, акселерометры и гироскопы сразу же дают обратную связь. Эти датчики помогают роботу изменить шаг, чтобы сохранить равновесие. Инженеры часто смешивают данные со всех датчиков для достижения лучшего результата. Это называется объединением датчиков.

Как снизить энергопотребление шагающих роботов?

Выбирайте двигатели и редукторы, которые не расходуют энергию впустую. Добавьте пружины для поддержки суставов робота. Используйте рекуперативное торможение для экономии энергии, когда робот замедляется. Умные алгоритмы управления также помогают расходовать меньше энергии. Регулярно проверяйте состояние робота.

Как лучше всего протестировать новую конструкцию шагающего робота?

Начните с испытаний робота на ровной поверхности. Постепенно добавляйте препятствия и неровности. Записывайте показания датчиков во время каждого теста. При необходимости измените настройки управления. Проверяйте каждую деталь, прежде чем собрать робота целиком. Это поможет вам обнаружить проблемы на ранней стадии.