Konstrukce kráčejících mobilních robotů

(3. část)

V dnešní, již závěrečné části se zaměříme na třínohé, čtyřnohé, šestinohé, sedminohé, osminohé a na netypické konstrukce kráčejících robotů a na mikroroboty.

Třínohé kráčející mechanismy jsou výjimečným případem v konstrukci kráčejících robotů. Příkladem je robot Ozomatli (vývoj a výroba na Universidad Panamericana, Mexico City, Mexiko, 1996) s pneumatickým pohonem a jedním aktivním stupněm volnosti.

Obr. 1: Kráčející robot Ozomatli (viz časopis)

Obr. 2: Způsob chůze robotu Ozomatli(viz časopis)

Konstrukce čtyřnohých kráčejících mechanismů je většinou inspirována anatomií živočichů. Lze rozeznat konstrukce typu "savec", konstrukce typu "hmyz" či další. Toto pojmenování je pouze rámcové a je provedeno na základě konstrukce noh (kinematické stavby), nikoliv jejich počtu. Příkladem "savčí" konstrukce jsou roboty jmen Bisam (University of Karlsruhe, Německo, 1996), Collie I (Tokio, 1985). Příkladem "hmyzí" konstrukce jsou kráčející roboty Titan VIII (Tokyo Institute of Technology, Japonsko), robot Robug II (Velká Británie, 1990), robot Rihmo (Institute for Industrial Automation, Madrid, Španělsko).

Obr. 3 : Konstrukce kráčejícího ústrojí robotu typu "savec"(viz časopis)

Obr. 4 : Dvě možnosti konstrukce kráčejícího ústrojí robotu typu "hmyz"(viz časopis)

Obr. 5: Způsob chůze čtyřnohých kráčejících mechanismů (viz časopis)

Tyto mechanismy jsou staticky stabilní, ale v okamžiku, kdy jedna noha není v kontaktu s povrchem, se těžiště robotu nachází nad hranou trojúhelníka z bodů kontaktu ostatních noh s povrchem nebo v blízkosti této hrany. V důsledku dynamického účinku nebo náhodné překážky či prohlubně může pak dojít k převržení robotu na nohu vykonávající krok. Je tedy nutné uvažovat dynamické účinky komponent kinematického řetězce a zajistit dostatečné množství senzorů pro zjišťování polohy a rychlosti těchto komponent. Počet řízených stupňů volnosti se obvykle pohybuje v rozmezí 4 - 12.

Obr. 6: Bisam - robot "savčí" konstrukce (viz časopis)

Obr. 7 : Titan VIII představuje robot s "hmyzí" konstrukcí.(viz časopis)

Obr. 8 : Dalším představitelem robotu s "hmyzí" konstrukcí je Robug II.(viz časopis)

Obr. 9 : Schéma rozmístění těžiště u 4- a 6nohých kráčejících robotů (viz časopis)

Tato skupina kráčejících robotů je zjevně nejpočetnější. Můžeme zde nalézt roboty nejrůznějších velikostí - od několika centimetrů (např. robot Boris) až do rozměrů řádově několika metrů (Plustech, planetární roboty řady Ambler, robot Daedalus) - a různých hmotností (několik gramů až několik tun). Některé roboty dosahují vynikajících manévrovacích schopností; např. Ioan (University of Bruxelles, Brusel, Belgie, 1996) se dokáže převrátit "na záda", postavit se a pokračovat dále v chůzi.

Šestinohé roboty splňují podmínky statické stability dokonale, protože nejméně 3 nohy zůstávají při chůzi stále v kontaktu s povrchem. Těžiště robotu se pak nachází stále uvnitř trojúhelníku vytvořeného body dotyku, a to v blízkosti těžiště tohoto trojúhelníku. Proto je chůze robotu vysoce stabilní a adaptabilní na povahu terénu a kráčející robot je velmi odolný vůči převrhnutí. Je výrazně potlačen vliv dynamických účinků, takže není potřeba znát v každém okamžiku veškeré informace o členech kinematického řetězce. Klesá tak množství potřebných senzorů a zjednodušuje se řídicí systém.

V této souvislosti zde nalezneme mnoho kombinací spojení kinematických dvojic a nejrůznějších mechanismů. Poprvé se zde objevuje tzv. dvourámová konstrukce (např. robot Daedalus), která byla navržena jako co nejjednodušší konstrukce s minimálním počtem aktivních stupňů volnosti, schopná chůze po velmi nerovném terénu.

U této skupiny robotů lze najít paralelu s hmyzem, kde výrazně převažuje počet 6 noh. Výzkum v oblasti navrhování 6nohé koncepce se mimo jiné zabývá studiem chůze hmyzu, stavby noh a zejména způsobem řízení jejich pohybu. Výrazně převažuje 18 aktivních stupňů volnosti.

Obr. 10 : Šestinohý kráčející robot Boris o velikosti několik centimetrů (viz časopis)

Obr. 11 : Ambler - šestinohý kráčející robot se pyšní svou velikostí.(viz časopis)

Obr. 12 : Robot Ioan se vyznačuje perfektní manévrovací schopností.(viz časopis)

Sedminohé kráčející mechanismy jsou spolu s třínohými výjimečným případem v konstrukci kráčejících robotů. Názorným příkladem je robot Walking Beam (Lockheed Martin, Denver, CO, USA, 1990).

Obr. 13 : Sedminohý kráčející robot Walking Beam(viz časopis)

V této skupině se vyskytují kromě konstrukcí podobných šestinohým kráčejícím mechanismům pro chůzi po zemském povrchu i roboty pro pohyb v potrubí a po kolmých stěnách - tedy plazivé a šplhající. Osminohá koncepce je pro tyto účely nejvhodnější, protože roboty se mohou pomocí čtyř noh dostatečně stabilně uchytit a zajistit dostatečně pevnou vazbu s povrchem, přičemž ostatní čtyři nohy vykonávají krok vpřed. V případě, že jedna noha ztratí kontakt s povrchem, musí zbylé tři nohy udržet robot na místě. Při chůzi po vodorovných a nakloněných plochách jsou rovněž stabilnější než šestinohé mobilní roboty. Jako příklad lze uvést: Pipe Crawling Robot (TU Mnichov, Německo) nebo Pipe-Climbing Robot (Siemens, Mnichov, Německo).

Zástupcem tzv. dvourámové konstrukce s malým počtem aktivních stupňů volnosti je robot Fred II (Institute of Computer Engineering, Medical University of Lübeck). Počet aktivních akčních členů je 11 - 24.

Obr. 14 : Osminohý kráčející robot Pipe Crawling Robot(viz časopis)

Obr. 15 : Fred II je robot s malým počtem stupňů volnosti.(viz časopis)

Obr. 16 : Robot řízený neuronovou sítí patří mezi netypické konstrukce kráčejících robotů.(viz časopis)

Mikrorobotika (někdy také nazývaná nanorobotika) je společně se servisními roboty v současnosti nesporně progresivně se vyvíjející oblastí technické robotiky. Do nynější doby byly vyrobeny mobilní roboty, jejichž rozměry se pohybují nejvíce v desítkách milimetrů. Příkladem je mikrorobot PLIF (Itálie, 1996). Jedná se o třínohý mobilní robot, jehož dvě nohy jsou poháněny pomocí piezokeramických bimorfních akčních členů a třetí je noha je pasivní. Robot je velmi malý (20 ( 20 ( 20 mm) a má nízkou hmotnost (30 gramů), ale současně je vzhledem k rozměrům a hmotnosti velmi rychlý (až 20 cm/s). Pohybuje se pomocí velmi malých kroků (několik mikronů), přičemž nohy kmitají vysokou frekvencí (až 800 Hz). Nevýhodou je neurčitost amplitudy a směru pohybu, která podstatně závisí na typu a nerovnostech povrchu. Proto musí být řízení pohybu robotu po trajektorii prováděno v uzavřené smyčce. Pro měření pozice je použit infračervený senzor.

Aplikace těchto robotů lze nalézt v mikromechanice, mikrochirurgii, ostraze a inspekci malých prostor atd.

Obr. 17 : Velikost mikrorobotu Plif se pohybuje v desítkách milimetrů.(viz časopis)

O četnosti zastoupení jednotlivých základních skupin kráčejících robotů v procentech vypovídá graf. Nejsou zde zahrnuty mikroroboty a netypické konstrukce kráčejících mobilních robotů. Je patrné, že téměř polovinu všech doposud zkonstruovaných kráčejících mobilních robotů tvoří šestinohé roboty. Pravděpodobně je to způsobeno faktem, že právě šestinohé roboty splňují podmínky statické stability v každém okamžiku, se všemi důsledky z toho plynoucími. Zastoupení čtyřnohých a dvounohých robotů je srovnatelné a je pravděpodobné, že jejich podíl na celkovém množství kráčejících robotů bude do budoucna růst.

Graf: Procentuální zastoupení jednotlivých základních skupin kráčejících robotů