Методы корректировки программных движений цикловых

7Б
УДК 629.1.033.3
Е.С. Брискин, В.В. Чернышев
Волгоградский государственный технический университет, Россия
Методы корректировки программных
движений цикловых шагающих движителей
мобильных робототехнических систем*
Рассматривается шагающий робот «Восьминог» с цикловыми механизмами шагания. Предложен
метод повышения профильной проходимости робота, основанный на введении дополнительной
диссипативной связи между опорной стойкой механизма шагания и стопой. Обсуждается адаптивный
способ управления стопой.
Введение
С освоением труднодоступных территорий и внедрением новых почвосберегающих технологий в лесном и сельском хозяйстве появляется потребность в
мобильных робототехнических системах для работы в сложных условиях (в тундре, тайге, пустыне, заболоченной местности и др.), где движение зачастую не может быть обеспечено гусеничными или колесными машинами. Это заставляет
исследовать новые транспортные системы, в частности на базе шагающих движителей, которые обладают повышенными тягово-сцепными свойствами, отличной
проходимостью на слабонесущих грунтах, не разрушают экологически ранимый
почвенный покров и могут передвигаться по неорганизованной поверхности [1-3].
Разработки шагающих машин ведутся во всех развитых странах мира. По
данным каталога К. Бернса (www.fzi.de/ipt/WMC/ walking machines katalog
/walking_machines_katalog.html) уже известно несколько полномасштабных образцов (массой более 1 т), пригодных для реальных транспортно-технологических операций. К ним, в частности, относятся шагающая машина ASV (США),
предназначенная для передвижения по пересеченной местности, мобильный
робот Ambler (США), спроектированный по заказу NASA, а также шагающий робот MECANT и машина с шагающими движителями для лесного хозяйства фирмы Plustech, разработанные в Финляндии. В России к шагающим машинам рассматриваемой весовой категории относится разработанный в ВолгГТУ робототехнический комплекс «Восьминог», предназначенный для работы на грунтах с
низкой несущей способностью [3].
В движителях зарубежных машин применяются механизмы шагания с тремя
и более управляемыми степенями свободы, позволяющие стопе перемещаться
требуемым образом в пространстве. Недостатком такого подхода является сложность согласованного управления звеньями ног и высокая стоимость, обуслов*
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(проекты 04-01-00410, 04-01-15000) и программы «Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники».
«Штучний інтелект» 4’2004
685
Брискин Е.С., Чернышев В.В.
7Б
ленная необходимостью установки независимых следящих приводов по каждой
из степеней подвижности механизмов шагания.
В «Восьминоге» в качестве движителей используются побортно сгруппированные в шагающие модули (шагающие опоры) работающие в противофазе цикловые
механизмы шагания. Это позволяет не заботиться о сохранении походки и устойчивости и исключает необходимость управляемой системы адаптации. В итоге машина имеет минимальное число управляемых степеней свободы и становится при
тех же характеристиках существенно проще и дешевле зарубежных аналогов. Такой
подход позволяет разрабатывать шагающие машины, пригодные по своим техническим характеристикам и стоимости для широкого применения.
С другой стороны, механизм шагания циклового типа, сочетающий компактность и простоту конструкции с хорошей траекторией, пока не известен. В «Восьминоге» использован наиболее простой одностепенной четырехзвенный механизм
шагания лямбдаобразного типа с шарнирно закрепленной стопой. Поэтому при движении, вследствие несовершенства траектории опорных точек, имеют место неравномерность курсовой скорости и требующие дополнительных энергозатрат вертикальные колебания корпуса в каждом цикле (шаге). Кроме того, жесткая траектория
опорных точек у механизмов шагания рассматриваемого типа ограничивает их возможности по адаптации к опорной поверхности и профильной проходимости.
С целью улучшения указанных параметров в работе рассматриваются способы
усовершенствования шагающего движителя и его управления, не требующие кардинального изменения хорошо себя зарекомендовавших простых и надежных
механизмов шагания.
Пассивное управление стопой в шагающем движителе
на базе цикловых механизмов
Для повышения адаптивности и профильной проходимости до уровня зарубежных аналогов в «Восьминоге» был реализован простейший вариант системы
пассивной адаптации стопы к рельефу местности – была синтезирована траектория
опорной точки, обеспечивающая за счет кинематики механизма шагания и трения в
шарнире стопы подъем ее носка в фазе переноса [4], [5]. Схема механизма шагания
и траектория его опорной точки с характерными положениями стопы приведены на
рис. 1. Пассивная адаптация стопы повышает возможности машины по приспособляемости к неровностям грунта и позволяет преодолевать препятствия, превышающие (более чем в 2 раза) максимальную высоту траектории опорной точки (рис. 2).
Оценивая в этом случае профильную проходимость, следует иметь в виду, что она
зависит от положения стоп перед препятствием. Кроме того, геометрические возможности шагающего движителя по преодолению препятствия не всегда реализуются из-за ограниченной мощности силовой установки. Поэтому успешное преодоление препятствия зачастую зависит от выбора алгоритма поведения машины при
его прохождении.
686
«Искусственный интеллект» 4’2004
Методы корректировки программных движений…
7Б
а)
Рисунок 1 – Схема механизма шагания (а) и траектория его опорной точки с
характерными положениями стопы при прямом (б) и реверсивном (в) движении
машины: 1 – кривошип; 2 – Г-образный шатун (опора); 3 – коромысло; 4 – стопа;
5 – демпфирующее устройство
Рисунок 2 – Робототехнический комплекс «Восьминог»:
преодоление локального препятствия
Моделирование динамики типовых случаев движения показывает, что для полной реализации возможностей шагающей машины по профильной проходимости и
маневренности необходима возможность комбинирования и корректировки программных движений ног. Например, изменение длины шага перед локальным препятствием для обеспечения наиболее выгодного положения стопы, комбинирование стоп,
находящихся в фазе опоры при повороте, для снижения момента сопротивления
повороту на тяжелых грунтах и др.
«Штучний інтелект» 4’2004
687
Брискин Е.С., Чернышев В.В.
7Б
Корректировка программных движений ног за счет
управляемой дополнительной степени свободы в
механизме шагания
Корректировку программных движений цикловых шагающих движителей
можно осуществить путем введения в механизм шагания дополнительной управляемой степени свободы. В процессе разработки робототехнического комплекса «Восьминог» прорабатывалась возможность введения в механизм шагания дополнительной, управляемой только в режиме специального маневрирования, степени свободы
в виде гидроцилиндра [6]. При надлежащем законе управления гидроцилиндр обеспечивает корректировку траектории опорной точки механизма шагания и дополнительный подъем стопы. Механизм такого типа на базе хорошо зарекомендовавшего
себя четырёхзвенного механизма шагания лямбдаобразного типа представлен на рис.
3, где I и II – траектория опорной точки базового и улучшенного механизма шагания.
Работа гидроцилиндра осуществляется только в экстремальных ситуациях.
Алгоритм управления выбирается в зависимости от внешних условий. В маршевом
режиме механизм остается одностепенным.
II
I
Рисунок 3 – Схема механизма шагания с дополнительной управляемой степенью
свободы в виде гидроцилиндра: 1 – кривошип; 2 – шатун; 3 – коромысло;
4 – опорное звено; 5 – гидроцилиндр
Представляет интерес механизм шагания с моделируемым движением опорных
точек, который позволяет изменять параметры шага в зависимости от условий движения [7]. Схема механизма приведена на рис. 4. Движитель в этом случае содержит
поворотную коленчатую ось с приводом, общую для каждой пары механизмов шагания, на которой шарнирно закреплена точка подвеса коромысла. При движении машины по неорганизованной поверхности, изменяя положение точки подвеса коромысла, можно корректировать длину и высоту шага. Управление сводится к повороту коленчатой оси. Это приводит к трансформированию траектории, и высота шага
H1 увеличивается до H2. В случае дискретного изменения углового положения оси
(аналогично переключению передач) движитель остается одностепенным. Также
возможно управление поворотом оси по заданному закону.
688
«Искусственный интеллект» 4’2004
Методы корректировки программных движений…
7Б
Рисунок 4 – Схема механизма шагания с моделируемым движением опорных точек:
1 – кривошип; 2 – Г-образный шатун; 3 – коромысло; 4 – коленчатая ось
К очевидным недостаткам рассмотренных способов корректировки программных движений ног надо отнести усложнение конструкции движителя из-за необходимости дополнительного привода в механизме шагания и рост энергозатрат на передвижение.
Корректировка программных движений движителя
за счет управляемой диссипации в шарнире стопы
С целью исключения влияния случайных факторов на программное движение стопы, снижения интенсивности ударных процессов при смене стоп и уменьшения затрат мощности на колебания корпуса, обусловленные шагающим способом передвижения, была рассмотрена задача активного управления стопой циклового шагающего движителя. Активное управление стопой предполагается осуществлять за счет управляемой диссипации в дополнительном демпфирующем
устройстве 5 (рис. 1), обеспечивающем диссипативную связь стопы 4 с опорным
звеном 2 механизма шагания [8].
Момент вязкого трения в шарнире стопы MR = f(, 24) будет определяться
коэффициентом вязкого трения  в демпфере и относительной угловой скоростью
стопы по отношению к опорной стойке 24. Программное изменение 24 за
цикл базового механизма шагания, полученное по результатам кинематического
анализа, приведено на рис. 5. Участок GABC соответствует фазе переноса стопы,
участок CD – этапу постановки стопы на грунт, DE – фазе опоры на грунт, EG –
выходу стопы из опорной фазы. Фазу переноса GABC, в свою очередь, можно
подразделить на участок GA, где стопа движется вместе опорным звеном
механизма шагания, и на участок ABC, на котором стопа, находящаяся в
переносе, начинает взаимодействовать (пяткой) с грунтом и движется юзом.
«Штучний інтелект» 4’2004
689
Брискин Е.С., Чернышев В.В.
7Б
4
2
24
Рисунок 5 – Программное изменение угловых скоростей стопы 4,
опорного звена 2 и относительной угловой скорости 24 за цикл
При управлении диссипацией в демпфере надо учитывать следующее. На
участке ABC небольшое вязкое сопротивление в демпфирующем устройстве в фазе
переноса позволит минимизировать влияние на закон движения стопы случайных
факторов. В опорной фазе DE вязкое трение в шарнире стопы приводит к необоснованным потерям и нежелательно, однако при необходимости, например для повышения тягово-сцепных свойств за счет изменения эпюры распределения нагрузки по
длине стопы, наличие опорного момента MR на участке DE в тяжелых режимах
движения допустимо. При смене стоп – участок CD и на заключительном этапе фазы
переноса – рост коэффициента вязкого сопротивления μ в демпфере способствует
плавному увеличению опорной реакции стопы, устанавливающейся на грунте. Это
обеспечивает снижение интенсивности ударных процессов при смене стоп. Причем
работа демпфирующего устройства на этом участке осуществляется за счет энергии
теряемой в базовом механизме шагания на удар.
Если при смене стоп коэффициент  демпфирующего устройства превосходит
критическое значение μкр, при котором нормальная реакция грунта N1 стопы, еще не
установившейся на грунте, начинает превышать N2 – реакцию стопы, находящейся в
опорной фазе, то на участке CD и на заключительном этапе фазы переноса возникает
дополнительная фаза цикла – фаза опоры на пятку стопы, входящей в зацепление с
грунтом. Смена работающих в противофазе стоп в этом случае (рис. 6, где XC, ZC –
реакции в шарнире стопы, P и vD – сила сцепления и скорость буксования носка или
пятки стопы) будет проходить в 4 этапа.
Рисунок 6 – Смена стоп при μ>μкр:
а) 1-я стопа в конце переноса, 2-я стопа в опорной фазе (N1<N2);
б) 1-я стопа в опорной фазе, 2-я стопа в начале фазы переноса (N1>N2)
690
«Искусственный интеллект» 4’2004
Методы корректировки программных движений…
7Б
На первом этапе 1-я стопа находится в переносе (N1=0), а 2-я стопа – в опоре
на грунт всей опорной поверхностью и воспринимает всю нагрузку, приходящуюся на движитель.
На втором этапе (рис. 6а), после того как пятка стопы (точка D˝) коснулась
грунта, 1-я стопа начинает частично воспринимать вес машины, а 2-я стопа продолжает оставаться на грунте и воспринимает основную часть веса машины (N1<N2).
Реакция 1-й стопы на этом участке определяется соотношением:
& M R (  ,  24 )
J &
N1 
,
(1)
l4 (cos  4  k sin  4 )
где J и l4 – момент инерции и длина половины стопы соответственно; φ4 – угол
наклона стопы; kφ – коэффициент сцепления.
На третьем этапе (рис. 6б), который является дополнительной фазой цикла,
опорная реакция 1-й стопы становится больше, чем у второй (N1>N2), стопа
воспринимает основную часть веса машины. Вторая опора отрывается от грунта,
воспринимая в начале этапа часть нагрузки, контактируя при этом с грунтом
носком стопы. На этом этапе движение машины определяться динамикой стопы,
уравнение движения которой будет иметь вид:
&
J &
(2)
4  N1l4 cos  4  N1 x l4 sin  4  M R (  ,  24 ) .
Дополнительная фаза опоры на пятку стопы, задерживая при смене стоп
обусловленное несовершенством траектории опорной точки механизмов шагания
«проседание» корпуса, позволяет снизить амплитуду вертикальных колебаний
корпуса и уменьшить энергозатраты на их поддержание.
На заключительном этапе смены стоп 1-я стопа опускается всей опорной поверхностью на грунт и воспринимает весь бортовой вес машины, а 2-я оторвалась
от грунта и находится в стадии переноса.
Стопа часть фазы переноса движется пяткой по грунту юзом. Если в это время ограничить движение стопы по отношению к опоре путем задания высокого
коэффициента  в демпфере, то наступит фаза опоры на пятку стопы и произойдет преждевременная смена стоп. Это позволяет корректировать длину шага в достаточно больших пределах. Причем работа демпфера будет осуществляется за
счет энергии, теряемой в базовом механизме шагания на удар.
Управление движением в условиях неполного и
неоднозначного представления о текущей ситуации
Управление шагающим роботом, для обеспечения комбинирования и корректировки программных движений в функции от внешних условий, должно быть
адаптивным. Предполагается следующий подход при управлении движением.
Задача определения типа препятствия и его размеров, определяющих принципиальную возможность его преодоления машиной, решается на верхнем уровне
управления и осуществляется оператором машины. Задача управления при преодолении конкретного препятствия решается бортовым компьютером на низшем
уровне управления без участия оператора. Внешние условия при управлении планируется задавать как функцию углов поворота (и угловых скоростей) шарнирно
закрепленных стоп, положения ведущих кривошипов, давления рабочей
жидкости
в
демпфирующем
устройстве,
тока
бортовых
тяговых
электродвигателей и по некоторым другим параметрам.
«Штучний інтелект» 4’2004
691
Брискин Е.С., Чернышев В.В.
7Б
Рассмотрим, например, процесс корректировки длины шага при встрече стопы
с выступающим препятствием (рис. 4). В фазе переноса 1-я стопа до встречи с препятствием движется совместно с опорным звеном (24=0). В соответствии с программой движения опорная точка механизма шагания C1 должна опуститься на грунт
в точке C1' (рис. 7а), однако препятствие не позволяет это осуществить. В «Восьминоге» в этом случае возможна была бы одна из следующих ситуаций: срыв грунта
под 2-й (работающей в противофазе) ногой, разрушение препятствия или отключение (по току) бортового тягового электродвигателя. Дальнейшее управление сводится к маневрированию (за счет раздельного управления бортами) перед препятствием
с целью достижения стопой наиболее удобного положения для его успешного преодоления. В случае управляемой диссипации в шарнире стопы процесс встречи с
выступающим препятствием можно разделить на 3 этапа.
Рисунок 7 – Корректировка длины шага за счет управляемой диссипации в
шарнире стопы при встрече с выступающим препятствием
На первом этапе 1-я стопа носком (точкой D1' ) касается препятствия и начинает поворачиваться. Вследствие относительного движения стопы появляется сила
вязкого трения в демпфере и опорный момент MR в шарнире стопы. Бортовая система управления по фиксируемым отклонениям от программного движения стопы (по
41 и появлению давления P в демпфирующем устройстве) выдает команду на
преждевременное увеличение коэффициента . 1-я нога начинает воспринимать
часть нагрузки, приходящейся на движитель (опорная реакция N1 равна
вертикальной составляющей реакции RD1' ). N1 плавно возрастает. 2-я стопа
находится в фазе опоры на грунт всей опорной поверхностью и воспринимает
основную часть нагрузки на движитель (N2>>N1).
На втором этапе пятка 1-й стопы (точка D1'' ) опускается на грунт. Относительная угловая скорость стопы 24 и момент MR становятся незначительными по
величине и меняют знак. Стопа продолжает движение юзом вперед (по движению
машины), преодолевая силы сцепления P' 1 и P''1 на носке и пятке стопы. Опорная
точка 1-й спопы C1 движется вперед и вверх, занимая наиболее удобное положение
перед препятствием. Опорная реакция, равная N1  N1''  RD1' sin  41 , продолжает
плавно возрастать. 2-я стопа находится в фазе опоры на грунт и воспринимает большую часть нагрузки на движитель (N2>N1).
692
«Искусственный интеллект» 4’2004
Методы корректировки программных движений…
7Б
На третьем этапе опорная реакция 1-й стопы N1 становится больше N2. Происходит смена стоп. 1-я стопа переходит в опорную фазу, остается неподвижной на грунте, и
ее абсолютная угловая скорость 41 становится равной нулю. Система управления (при
41=0) дает команду на уменьшение  до минимального значения. 2-я стопа начинает
отрываться от грунта и движется назад и вверх. Носок стопы движется по грунту юзом и
воспринимает часть нагрузки на движитель ( N 2'  0 ). Реакция 2-й опоры плавно
уменьшается, и после отрыва носка от грунта ( N 2  0 ) стопа начинает фазу переноса.
В результате исключается чреватое поломкой движителя ударное взаимодействие стопы с препятствием, происходит плавная (безударная) смена стоп, а 1-я
стопа за счет корректировки длины шага занимает наиболее удобное положение перед препятствием.
Система управления на низшем уровне, осуществляемая бортовым компьютером, не позволяет обнаруживать и достоверно определять тип и расположение препятствия. Управление осуществляется в условиях неполного и неоднозначного представления о текущей ситуации. Были разработаны базовые алгоритмы управления
(поведения) шагающего робота при преодолении типовых препятствий в условиях
нечеткого представления о положении и типе препятствия. Например, управление во
всех случаях, представленных на рис. 8, отличающихся положением стопы перед
препятствием и его типом, сводится к одному алгоритму. Он состоит (упрощенно) в
следующем. Если после переноса стопы, когда стопа движется совместно с опорной
стойкой (24=0), появляется относительная угловая скорость стопы (пятка стопы
коснулась грунта), то бортовой системой управления выдается команда на повышение коэффициента вязкого сопротивления  в демпфере для создания опорного момента MR. Затем, команда на снижение  происходит только при условии равенства
нулю абсолютной угловой скорости стопы (стопа в опоре на грунте) либо если
относительная угловая скорость стопы снова стала равна нулю (стопа в переносе).
Рисунок 8 – Управление стопой в условиях нечеткого представления
о положении и типе препятствия
В рамках выбранного алгоритма в ситуациях, представленных на рис. 8, будут иметь место следующие отличия. В ситуации на рис. 8а препятствие будет не
замечено, но успешно преодолено. На рис. 8б при преодолении какого же препятствия команда на уменьшение  в демпфере 1-й стопы произойдет только после того, как 2-я стопа установится на грунте (в фазе переноса). На рис. 8в программа движения 2-й стопы будет скорректирована путем задержки выдачи команды на увеличение  до момента соприкосновения стопы с грунтом (до появления
относительной угловой скорости стопы).
Проверка в условиях реальной местности разработанных алгоритмов поведения свидетельствует о большой степени вероятности преодоления препятствия.
Перспективно использование в рассматриваемом случае обучаемых систем. Пред-
«Штучний інтелект» 4’2004
693
Брискин Е.С., Чернышев В.В.
7Б
лагаемый подход позволяет исключить необходимость установки на машине
дальномерно-обзорных систем и измерительных устройств ближнего действия,
позволяющих обнаружить опасные и непреодолимые препятствия.
Заключение
Корректировка программных движений цикловых шагающих движителей может быть достигнута без кардинального изменения механизмов шагания за счет управляемой диссипации в шарнире стопы. В этом случае также достигается снижение
интенсивности ударных процессов при смене стоп и сводится к минимуму влияние
на работу системы пассивной адаптации случайных факторов. Адаптивное управление стопой может быть организовано без использования дальномерно-обзорных систем и измерительных устройств ближнего действия, в условиях нечеткого представления об текущей ситуации. Полученные результаты используются при создании
многоцелевого шагающего шасси, которое может быть базовым как для простейших
машин, например, сельскохозяйственного назначения, так и для сложных робототехнических систем.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического
шагающего аппарата. – М.: Наука, 1984. – 309 с.
Briskin E.S., Chernyshev V.V., Maloletov A.V. On conception of walking machines designing //
Proc. of the 11-th Int. Conf. on Advanced Robotics (ICAR 2003). – Coimbra (Portugal). – 2003. –
Vol. 3. – P. 1763-1768.
Брискин Е.С., Чернышев В.В., Малолетов А.В., Тельдеков А.В. Мобильный робототехнический
комплекс на базе многоопорной шагающей машины: динамика движений // Мехатроника:
Механика. Автоматика. Электроника. – 2001. – № 3. – С. 19-27.
Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости: Пат. 2156711 РФ, В62
D57/032 / Д.Е. Охоцимский, Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, С.В. Шерстобитов; ВолгГТУ. – 2000.
Брискин Е.С., Чернышев В.В. Цикловые механизмы шагания с пассивно управляемой стопой //
Теория механизмов и машин. – 2004. – № 1. – С. 80-88.
Briskin E.S., Chernyshev V.V., Maloletov A.V. and ect. On ground and profile practicability of
multi-legged walking machines // Climbing and Walking Robots: Proc. of the 4-th Int. Conf.
CLAWAR 2001. – London. – 2001. – C. 1005-1012.
Брискин Е.С., Чернышев В.В., Жога В.В. Концепция создания шагающей машины для МЧС // Матлы XII науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника»: / СПбГПУ. – СПб. – 2002. – C. 139-146.
Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости: Пат. 2191131 РФ,
В62 D57/032 / В.В. Чернышев; ВолгГТУ. – 2002.
Є.С. Бріскін, В.В. Чернишов
Методи проектування програмних рухів циклових крокуючих рушіїв мобільних робото
технічних систем
Розглядається крокуючий робот «Восминог» з цикловими механизмами крокування. Запропонований
метод підвищення профільної прохідності робота, заснований на введенні додаткового дисипативного
зв’язку між опорним стояком механізму крокування і стопою. Обговорюється адаптивний спосіб
керування стопою.
The walking robot “Vosminog” with cycle mechanisms of walking is under consideration. The method of the
profile practicability increase, based on the including of the additional dissipative connection link between the
supported post of the walking mechanism and the pad. The adaptive method of pads control is discussed.
Статья поступила в редакцию 21.07.2004.
694
«Искусственный интеллект» 4’2004