Modelarea, Simularea ( Si Realizarea) Unei Familii de Roboti Mobili cu Roti Stea

Modelarea, simularea ( și realizarea) unei familii de roboți mobili cu roți stea

BELȚAN RĂZVAN GHEORGHE OLIMPIU TĂTAR

Anul 2016

Anexe

[1] Moghadam, M. M., Ahmadi, M., 2007, Climbing Robots, INTECH Open Access Publisher, Vienna, Austria, EU, pp. 441-462.

[2] Quaglia, G., Oderio, R., Bruzzone, L., Razzoli, R., 2013, A Modular Approach for a Family of Ground Mobile Robots, International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 10, pp. 296-276.

[3] Aoki, T., Murayama, Y., Hirose, S., 2014, Development of a Transformable Three‐wheeled Lunar Rover: Tri‐Star IV, Journal of Field Robotics 31(1), pp. 206-223.

[4] Ratnakumar, B. V., Smart, M. C., Ewell, R., Surampudi, S., Marsh, R., 2000, Performance characteristics of lithiumion cells for Mars sample return Athena Rover, Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000, IECEC

[5] Graham, J. B. (2007, March). Prospecting Rovers for Lunar Exploration. In 2007 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT (10.1109/AERO.2007.352706).

[6] Younse, P., Stroupe, A.W.,Huntsberger, T. L., Garrett, M., Eigenbrode, J. L., Benning, L. G., Fogel, M., & Steele, A. (2009, March). Sample acquisition and caching using detachable scoops for Mars sample return. In 2009 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT (10.1109/AERO.2009.4839312).

[7] Heverly, M.,Matthews, J., Frost, M., & McQuin, C. (2010, May). Development of the Tri-ATHLETE Lunar Vehicle Prototype. Proceedings of the 40thAerospaceMechanisms Symposium (pp. 317–326), Cocoa Beach, FL.

[8] Wilcox, H. B., Litwin, T., Biesiadecki, J. J., Matthews, J., Heverly, M., Morrison, J., Townsend, J., Ahmad, N., Sirota, A., & Cooper, K. (2007). Athlete: A cargo handling and manipulation robot for the moon. J. Field Robotics, 24(5), pp. 421–434.

[9] Bruzzone L., Quaglia G. (2012). Review article: locomotion systems for ground mobile robots in unstructured environments. In: MECHANICAL SCIENCES, vol. 3 n. 2, pp. 49-62. – ISSN 2191-9151

[10] www.irobot.com

[11] Miller, D. P., Hunt, T., Roman, M., Swindell, S., Tan, L., and Wainterholler, A.: Experiments with a Long-Range Planetary Rover, Proceedings of the International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, 2003.

[12] Kubotam, T., Kunii, Y., Kuroda, Y., and Working Group: Japanese lunar robotics exploration by co-operation with lander and rover, J. Earth Syst. Sci., 114, 777–785, 2005.

[13] Thrun, S., Montemerlo M., Dahlkamp, H., Stavens, D., Aron, A., Diebel, J., Fong, P., Gale, J., Halpenny, M., Hoffmann, G., Lau, K., Oakley, C., Palatucci, M., Pratt, V., Stang, P., Strohband, S., Dupont, C., Jendrossek, L.-E., Koelen, C., Markey, C., Rummel, C., van Niekerk, J., Jensen, E., Alessandrini, P., Bradski, G., Davies, B., Ettinger, S., Kaehler, A., Nefian, A., and Mahoney, P.: STANLEY, the robot that won the DARPA Gran Challenge, J. Field Robot., 23, 661–692, 2006.

[14] Lindemann, R. and Voorhees, C.: Mars exploration rover mobility assembly design, test, and performance , Proceedings of the 2005 IEEE Conference on Systems, Man and Cybernetics, 450–455, 2005.

[15] Michaud, S., Schneider, A., Bertrand, R., Lamon, P., Siegwart, R., van Winnendael, M., and Schiele, A.: SOLERO: Solar Powered Exploration Rover, Proceedings of the 7th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation, The Netherlands, 2002.

[16] Thueer, T., Lamon P., Krebs, A., and Siegwart, R.: CRABExploration rover with advanced obstacle negotiation capabilities, Proceedings of the 9th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation, Noordwijk, The Netherlands, 2006a.

[17] Diegel, O., Badve, A., Bright, G., Potgieter, J., and Tlale, S.: Improved Mecanum Wheel Design for Omni-directional Robots, Engineering , Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation, 117–121, 2002.

[18] Woosub, L., Sungchul, K., Munsang, K., and Mignon, P.: ROBHAZ-DT3: teleoperated mobile platform with passively adaptive double-track for hazardous environment applications, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1, 33–38, 2004.

[19] Klinker, S., Lee, C. G. Y., Wagner, C., Hlawatsch, W., Schreyer, A. M., and Roser, H. P.: Destination Moon and beyond for the Micro rover Nanokhod, Proceedings of the DGLR International Symposium To Moon and beyond, 2007.

[20] Hirose, S., Shirasu, T., and Fukushima, E. F.: Proposal For Cooperative Robot Gunryu Composed of Autonomous Segments, Robot. Auton. Syst., 17, 107–118, 1996.

[21] McGhee, R. B.: Vehicular legged locomotion, in: Advances in Automation and Robotics, edited by: Saridis, G. N., JAI Press, New York, 1, 259–284, 1985.

[22] Raibert, M. H.: Legged Robots That Balance, MIT Press, Cambridge, Mass, 1986.

[23] Vukobratovic, M. and Borovac, B.: Zero-moment point- thirty five years of its life, Int. J. Hum. Robot., 1, 157–173, 2004.

[24] McGeer, T.: Passive dynamic walking, Int. J. Robot. Res., 9, 62–82,1990.

[25] Manchester, I. R., Mettin, U., Iida, F., and Tedrake, R.: Stable dynamic walking over uneven terrain, Int. J. Robot. Res., 30, 265–279, 2011.

[26] Raibert, M. H., Brown, H. B., and Chepponis, M.: Experiments in balance with a 3D one-legged hopping machine, Int. J. Robot. Res., 3, 75–92, 1984.

[27] Raibert, M. H.: Legged Robots That Balance, MIT Press, Cambridge, Mass, 1986.

[28] Hirukawa, H., Kajita, S., Kanehiro, F., Kaneko, K., and Isozumi, T.: The Human-size Humanoid Robot That CanWalk, Lie Down and Get Up, International Journal of Robotic Research, 24, 755–769, 2005.

[29] Aucouturier, J. J., Ikeuchi, K., Hirukawa, H., Nakaoka, S., Shiratori, T., Kudoh, S., Kanehiro, F., Ogata, T., Kozima, H., Okuno, H. G., Michalowski, M. P., Ogai, Y., Ikegami, T., Kosuge, K., Takeda, T., and Hirata, Y.: Cheek to Chip: Dancing Robots and AI’s Future, IEEE Intell. Syst., 23, 74–84, 2008.

[30] www.ald.softbankrobotics.com

[31] http://www.robotmarketplace.com/products/0-HRC77003.htmlS

[32] Playter, R., Buehler, M., and Raibert, M.: Bigdog, Proceedings of the SPIE Defense&Security Symposium, Unmanned Systems Technology, 2006.

[33] Altendorfer, R., Moore, N., Komsuoglu, H., Buehler, M., Brown Jr., H. B., McMordie, D., Saranli, U., Full, R., and Koditschek, D. E.: RHex: a biologically inspired hexapod runner, Auton. Robot., 11, 207–213, 2001.

[34] Hodoshima, R., Doi, T., Fukuda, Y., Hirose, S., Okamoto, T., and Mori, J.: Development of a QuadrupedWalking Robot TITAN XI for Steep Slope Operation – Step Over Gait to Concrete Frames on Steep Slopes, Journal of Robotics and Mechatronics, 19, 13–26, 2007.

[35] Hirose, S., Fukuda, Y., Yoneda, K., Nagakubo, A., Tsukagoshi, H., Arikawa, K., Endo, G., Doi, T., and Hodoshima, R.: Quadruped Walking Robots at Tokyo Institute of Technology, IEEE Robotics and Automation Magazine, 16, 104–114, 2009.

[36] http://www.army-technology.com/projects/irobot-310-sugv-us/

[37] Kim, J., Kim, Y.-G., Kwak, J.-H., Hong, D.-H., and An, J.: Wheel & Track Hybrid Robot Platform for Optimal Navigation in an Urban Environment, Proceedings of the SICE Annual Conference, 881–884, 2010.

[38] Hirose, S., Fukushima, E., Damoto, R., and Nakamoto, H.: Design of terrain adaptive versatile crawler vehicle HELIOS-VI , Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1540–1545, 2001.

[39] http://defense-update.com/newscast/0307/news/080307_viper.htm

[40] Tadakuma, K., Tadakuma, R., Maruyama, A., Rohmer, E., Nagatani, K., Yoshida, K., Ming, A., Shimojo, M., Higashimori, M., and Kaneko, M.: Mechanical Design of the Wheel-Leg Hybrid Mobile Robot to Realize a Large Wheel Diameter, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 3358–3365, 2010.

[41] Lauria, M., Piquet, Y., and Siegwart, R.: OCTOPUS: an autonomous wheeled climbing robot, Proceedings of the 5th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), 315–322, 2002.

[42] Siegwart, R., Lauria, M., Maeusli, P. A., and Van Winnendael, M.: Design and implementation of an innovative micro rover, Proceedings of Robotics 98, the 3rd Conference and Exposition on Robotics in Challenging Environments, 1998.

[43] Michaud, F., Letourneau, D., Arsenault, M., Bergeron, Y., Cadrin, R., Gagnon, F., Legault, M. A., Millette, M., Pare, J. F., Remblay, M. C., Lepage, P., Morin, Y., Bisson, J., and Caron, S.: Multi-Modal Locomotion Robotic Platform Using Leg-Track-Wheel Articulations, Auton. Robot., 18, 137–156, 2005.

[44] Wong, J. Y.: Theory of Ground Vehicles, JohnWiley & Sons, 2001.

[45] Angelova, A., Matthies, L., Helmick, D., and Perona, P.: Learning and prediction of slip from visual information, J. Field Robot., 24, 205–231, 2007

Rezumat in romana

Rezumat in engleza

1. Introducere

Datorită avansurilor tehnologice ale aplicațiilor roboticii în viața de zi cu zi și a necesității din ce în ce mai mari a sitemelor de securitate, atât pentru mediul interior cât și pentru cel exterior, s-au dezvoltat sisteme inteligente bazate pe senzori amplasați pe o platformă mobilă, roboți mobili cu capacitatea de a urca scări de diferite mărimi, de a depăși o varietate de obstacole pentru a ajuta persoanele cu dizabilități și nu numai [1], [2]. În realitate, majoritatea sistemelor de supraveghere video utilizează atât camere statice cât și mobile. Astfel reprezentarea în ansamblu este redată de către camerele statice și dacă se observă o neregularitate, roboți mobili echipați cu echipament video de înaltă calitate sunt trimiși pentru a inspecta zona în cauză. Datorită faptului că acești roboți mobili sunt versatili ei pot fi echipați cu senzori suplimentari pentru detectarea de substanțe chimice sau radioactive evitând astfel riscul unei intervenții umane. Acești roboți pot fi utilizați cu succes și în operațiunile militare de căutare și salvare, dar și în cazul în care este necesară securizarea unei zone întinse pentru a ferii oamenii de eventuale pericole. Roboții pot fi comandați de la distanță sau pot fi autonomi, furnizând imagini video unui operator [2].

De asemenea, în ultimii ani, s-au realizat progrese mari în domeniul aero-spațial care se ocupă cu roboți mobili pentru explorări planetare. Utilizarea roboților mobili este una dintre cele mai eficiente metode de a explora suprafața planetelor[3]. De exemplu, Spirit și Opportunity au fost roboți mobili trimiși pe Marte creați de NASA [4] și au obținut mai multe date în legătură cu suprafața planetei. Mulți cercetători studiază roboții mobili. Graham in 2007 [5] a abordat problema roboților lunari din diferite puncte de vedere. Robotul mobil, Sample Return Rover 2000 (SRR2K), are patru roți și un manipulator. Este capabil să ridice o mostră utilizând efectorul final [6]. Robotul mobil ATHLETE, care este un robot de dimensiuni mari cu șase picioare, poate ridica module experimentale pentru operații de ajutorare pe suprafața lunii, a fost creeat de NASA [7], [8]. R.P-urile (roboți mobili cu roți tip picior) erau diferite față de roboții mobili cu roți normale deoarece, roțile acestora erau asemenea unor picioare care sunt foarte eficiente pe teren accidentat. RIMRES produs de DFKI este un demonstrator complex, care demonstrează pe Pământ cum se va desfășura explorarea unui crater lunar. Este compus din doi roboți modulari, unul care are ca sistem de locomoție roți de tip picior și celălalt având sistem de locomoție șase picioare [3]. Roboții mobili pot fi clasificați pe baza sistemului lor de locomoție, astfel avem trei clase majore: roboți cu roți convenționale, roboți cu șenile, roboți cu picioare.

Dar bazându-se pe aceste sisteme de locomoție, s-au creat roboți hibrizi. Acești roboți hibrizi la rândul lor pot avea patru sisteme de locomoție diferite: picior-roată (PR), picior-șenilă (PȘ), roată-șenilă (RȘ), picior-roată-șenilă (PRȘ). Cele trei categorii principale împreună cu cele patru categorii de roboți hibrizi sunt prezentate în figura 1.

Pentru a putea face o comparație între tipurile de locomoție prezentate am ales un set de criterii care pot fi evaluate obiectiv, care sunt prezentate în tabelul 1. Primele șapte caracteristici prezentate în tabel sunt legate strict de performanța și mobilitate și sunt măsurabile. Celelalte caracteristici rămase descriu complexitatea sistemului și influențează alte aspecte, cum ar fi fiabilitatea, autonomia care nu sunt menționate.

Tabel 1. Descrierea criteriilor luate în considerare pentru compararea sistemelor de locomoție

Cap. 1 Studiul unor soluții constructive de roboți mobili de tip modular pentru depășirea obstacolelor

1.1 Analiza constructiv – funcțională a mecanismelor din structură

1.2 Identificarea modalităților de locomoție și constrângerilor specifice.

Prezentarea avantajelor/dezavantajelor, performanțelor funcționale pentru soluțiile studiate

1.1. Sistem de locomoție cu roți

Roboții mobili cu roți pot atinge viteze mari cu un consum mic de energie și pot fi controlați prin intermediul câtorva grade de libertate, dar abilitatea lor de a depășii obstacolele este în general limitată. Roboții mobili cu roți pot fi clasificați în funcție de de numărul și de poziția roților. Numărul minim de roți pentru a atinge stabilitatea statică este trei (condiția pentru ca robotul să fie stabil din punct de vedere static este aceea că proiecția verticală o centrului de greutate al robotului pe pământ trebuie să se afle în interiorul poligonului format de punctele de contact dintre roți și pământ)

Roboți cu trei roți sunt utilizați în medii structurate cu suprafețe netede și egale. Două roți sunt folosite pentru a putea vira și cea de a treia este utilizată pentru a obține stabilitate. Ca și exemplu este un aspirator comercial Roomba fabricat de iRobot [10]. Pe de altă parte, această arhitectură nu este potrivită pentru medii nestructurate din cauza stabilității slabe în prezența zonelor inegale și a pantelor.

Pentru ca să obțină o mai bună stabilitate majoritatea roboților folosesc patru, șase sau opt roți. Aceste structuri ,totuși, au nevoie de un cadru articlat sau de un sistem de suspensie pentru a se asigura contactul tuturor roțior cu pământul.

Neluând în considerare numărul de roți este posibil să distingem două categorii de roboți cu roți: cu cadru nearticulat sau cu cadru articulat. Ar trebui evidențiat faptul că cea de a doua categorie cuprinde doar roboți cu cadre articulate pasiv.

La roboții mobili cu roți cu cadre nearticulate, poziția relativă a roților este fixă și cu mai mult de trei roți configurația este hiperstatică și este rareori folosită. Roboții mobili cu roți care au cadre articulate pot să se adapteze terenului datorită cuplelor pasive și acest fapt reduce rezistența atunci când robotul depășește un obstacol.

Cel mai simplu concept pentru roboți mobili cu patru roți este bazat pe formula: ( explicația formulei: numărul total de roți × numărul de roți acționate × numărul de roți controlate pentru direcție într-un mod activ); cele două roți de pe fiecare parte sunt acționate de același motor; cabacitatea de a face un viraj este diferențială, realizată prin viteze diferite la cei doi actuatori. Un exemplu al acestei scheme este roverul SR2 realizat de Universitatea din Oklahoma pentru Malin Space Science Systems [11]. Cadrul roverului este articulat pentru a asigura o distribuție egală a greutății sale pe pământ. Această schemă permite rotația pe loc, dar roțile alunecă pe pământ astfel reducând din eficiența energetică. Unde viteze mari sunt necesare, sistemul de locomoție al robotului poate fi derivat din tehnologia auto, integrând suspensii de la mașini și geometria de direcție Akerman. În funcție de mărimea necesară a robotului mobil, poate fi creat un vehicul autonom utilizând o mașină sau un alt mijloc de transport uman (de regulă cu patru roți) prin montarea în interiorul acesteia a unui sistem de navigatie autonom sau controlat de la distanță. Această abordare utilizată în concursul DARPA, fondat de Departamentul de Apărare al Statelor Unite [13]. Cu această metodă se pot obține viteze mari dar manevrabilitatea în spații mici este slabă în comparție cu cea a roboților care au roțile acționate de motoare electrice.

Roboții mobili cu cinci roți sunt rari.Un astfel de robot este roverul Micro5, creat de JAXA (Japanese Developer Aerospace Exploration Agency), care are următoarea formulă a roților: (Fig. 2b). Greutatea este distribuită de sistemul de suspensie cunoscut ca și PEGASUS ( Pentad Grade Assist Suspension)[12]; cea de a cincea roată este conectată central de corpul principal de o articulație pasivă de revoluție. În timp ce urcă peste obstacole, tracțiunea celei de a cincea roată produce un moment de inerție care marește greutatea de pe roțile din față astfel îmbunătățind tracțiunea. Acest concept cu cinci roți a fost realizat pentru a îmbunătății tracțiunea în aplicații care necesită viteze foarte mici (în jur de 3 cm/s) și un consum redus din punct de vedere energetic. Nu este potrivit pentru operarea la viteze mari datorită lipsei suspensiilor.

Exemple de roboți cu șase roți cu cadre articulate sunt roverele creeate de NASA de tip ’’rocker-bogie’’ pentru explorarea planetei Marte, Spirit/Opportunity și Sojourner [14]. Acești roveri au următoarea formulă a roților: (roțile din față și din spate sunt virate într-un mod independent). Cele două mecanisme de tip ’’rocker-bogie’’ de pe fiecare parte a vehiculului păstrează toate roțile în contact cu solul, chiar și când apar obstacole și teren denivelat. Presiunea medie din roți este echilibrată pasiv aspect ce îmbunătățește performanțele pe teren moale.

Alte exemple de roboți mobili cu roți și cu cadru articulat sunt roverele SOLERO și CRAB creeați de Agenția Spațială Europeană pentru explorarea planetei Marte [15], [16] . SOLERO (Fig. 3b) prezintă următoarea formulă pentru roți: . Șasiul are un braț cu două roți pe fiecare parte; roata din față are un sistem de suspensie. CRAB II (Fig. 3c) este un rover cu urmatoarea formulă a roților: . El este compus din brațe simetrice pe fiecare parte (roata centrală fiind conectată de cele două brațe).

Trebuie menționat faptul că majoritatea roboților mobili cu roți au roți deformabile ( roțile de dimensiuni mai mari de obicei se pot umfla în timp ce cele mici nu se pot umfla) pentru a reduce șocurile în lipsa unui sistem de suspensie. În unele cazuri, roți omnidirecționale (cunoscute ca și roți suedeze) sunt folosite pentru a spori mobilitatea robotului reducând constrângerile cinematice în timpul virajului [17].

Cu toate acestea, roțile omnidirecționale nu sunt folosite la roboți mobili care trebuie să acționeze în medii accidentate și pline de obstacole deoarece structura lor mecanică poate fi avariată de șocuri și pământ, de asemenea roțile convenționale au o priză mai bună.

1.2. Sistem de locomoție cu șenile

Roboții mobili cu șenile sunt bine echipați pentru a se deplase pe un teren neregulat și moale și ca să treacă peste obstacole, datorită suprafeței mari de contact pe care o au cu solul. Dar aceștia se mișcă mai încet și consumă mai multă energie decât roboții mobili cu roți: ca fapt divers roboții cu șenile sunt supuși la vibrații deoarece profilul lateral al șenilei este un poligon cu multe colțuri în mișcare și rareori prezintă sisteme de amortizare. Acest fapt limitează viteza maximă și eficiența din punct de vedere mechanic.

Roboții mobili cu șenile pot fi clasificați în funcție de numărul șenilelor și modul în care sunt dispuse acestea. Roboții pot avea șenile nearticulate sau șenile articulate. Roboții cu șenile nearticulate au un sistem mecanic foarte simplu, la fel ca și cel de control. În mod general au două șenile paralele, cu viraj diferențial. În ciuda simplității lor se mișcă bine pe teren moale și accidentat și pot trece peste obstacole mici.

Un exemplu al acestui concept este Nanokhod, un robot miniaturizat cu șenile pentru explorarea spațială (Fig. 4a). Pentru a îmbunătății capacitatea de manevrabilitate pe teren accidentat și de a trece peste obstacole, pot fi puse pe robot mai mult de două șenile cu o mobilitate relativ pasivă. Ca și exemplu ar fi roboții Robhaz DT3 și DT5 care sunt roboți mobili cu patru șenile creați de KIST Centrul de Cercetare al Roboticii Inteligente [19].

Acești roboți au două șenile paralele care sunt acționate în comun, dar care sunt articulate independent de cadru prin intermediul unor articulații de revoluție. Forma triunghiulară a șenilelor din față este concepută pentru a face mai usoară trecerea peste obstacolele mari (Fig. 4b).

Pentru a îmbunătății mai mult capacitatea de a se adapta la terenuri accidentate și la obstacole, alți roboți cu șenile articulate au un sistem mecanic mai complex. De exemplu, Gunryu (Fig. 4c), creat de Hirose-Fukushima Robotics Lab, are patru șenile independente; șenilele din față și din spate sunt conectate la două corpuri principale independente prin articulații de revoluție, dar și corpurile sunt conectate între ele printr-un braț articulat pasiv. Această configurație permite o mobilitate a șenilelor superioară celorlalte modele, dar are și o capacitate sporită de a depășii obstacole.

1.3. Sistem de locomoție cu picioare

Roboții cu picioare au o mobilitate mare, ceea ce îi face potriviți pentru activități atât în medii structurate cât și pe teren accidentat. Totuși sunt destul de înceți și consumă o cantitate mare de energie. În general roboții cu picioare au mulți actuatori și un sistem de comandă complex.

Crearea roboților mobili cu picioare are la rădăcină biologia. Există roboți cu două picioare (asemănători fizionomiei umane), roboți cu patru picioare (inspirați după fizionomia patrupedelor) și roboți cu mai mult de patru picioare (care sunt inspirați după insecte). Deși cea mai evidentă clasificare a acestor roboți este cea bazată pe numărul de picioare, cea mai importantă caracteristică este tipul/modul lor de pășire, care poate fi static sau dinamic.

Roboții cu un mers static sunt întotdeauna balansați, asemănător insectelor lente: pasul lor este astfel executat ca proiecția pe verticală a centrului lor de gravitație este întotdeauna în interiorul poligonului format de punctele de contact dintre picioarele acestuia cu solul. Acțiunea de apășii/a merge este concepută prin evaluarea calității de stabilitate a robotului utilizând indici de stabilitate specifici [21].

Spre deosebire de acești roboți, cei cu mers dinamic nu sunt întodeauna în echilibru, asemenea animalelor care umblă rapid, aleargă sau galopează [22]. Acest tip de locomoție necesită un sistem de control mult mai complex. Conceptul pentru pășit static poate fi bazat numai pe modelul cinematic, în timp ce cel dinamic trebuie să se bazeze și pe cel dinamic.

Cu un mers static diferite viteze ale robotului pot fi obținute prin aceeași mișcare de picioare executată la viteze diferite. La cel cu mers dinamic traiectoria picioarelor trebuie modificată ca și o funcție a vitezei robotului. Cu un mers static robotul se poate opri în orice poziție și să fie în echilibru, în schimb cu celălalt concept trebuie executată o mișcare corespunzătoare pentru a ajunge în poziția de echilibru. În plus ca să poată robotul să țină cont de factorii perturbatori din mediu, trebuie o reconfigurare totală a mișcării de fiecare dată când aceștia acționează.

Gradul ridicat de complexitate al unui robot mobil cu mers dinamic nu este redat doar de controlul acestuia, ci și de structura sa mecanică. Pentru cu un astfel de robot să funcționeze eficient când umblă, fiecare picior al robotului ar trebui să aibe câteva grade de libertate acționate și senzori de forță în tălpi.

Pe de altă parte, mersul dinamic din punct de vedere al energiei este mai eficient. El poate să conserve energia cinetică dezvoltată, în timp ce robotul cu mers static consumă energie pentru fiecare pas ce îl execută și de asemenea pierde energia cinetică de fiecare dată când face un pas.

Sunt două mari clase de modele pentru controlul configurațiilor cu mers dinamic: abordarea bazată pe principiul punctului de moment zero (PMZ) [23] și cele bazate pe mers pasiv dinamic și mers cu număr limitat de cicluri [24], [25].

Ideea de bază a abordării PMZ este aceea că centru de presiune rămâne în interiorul poligonului piciorului care este în contact cu terenul. Mișcările sunt ample și stabile dar nu au o mișcare naturală și nici nu sunt prea eficiente din punct de vedere energetic. În schimb mersul pasiv dinamic și cel cu un număr limitat de cicluri sunt mult mai eficiente din punct de vedere energetic deoarece gravitația și inerția contribuie la generarea mișcării.

De asemnea, doar modul de a pășii prin metoda PMZ nu admite o fază de zbor care caracterizează o mulțime de mișcări dinamice, cum ar fi alergatul sau săritul. Din toate aceste motive, mulți cercetători consideră că locomoția prin intermediul metodei PMZ este una cvasi-statică. Pe de altă parte, pășitorii care folosesc metoda pasiv-dinamică și cea cu un număr limitat de cicluri pot executa mișcări în care apare acestă fază de zbor. De fapt, pot fi considerați ca și evoluții bipede și patrupede ale roboților săritori cu un picior creați de Raibert în 1984 și 1986 [26], [27].

Cu privire la locomoția bipedă, la cei mai avansați roboți umanoizi, corpul superior și brațele contribuie la mișcare, realizând astfel un mers dinamic asemănător omului cu picioarele extinse, în timp ce primii roboți bipezi aveau o mișcare nenaturală cu picioare semi îndoite. Acești roboți pot amortiza un impact și se pot ridica în picioare singuri în cazul unor căderi bruște datorită unor forțe exterioare puternice neplănuite sau a terenului alunecos [28]. Pot executa și sarcini complexe cum ar fi să danseze [29].

Până acum de curând, acești roboți bipezi umanoizi de ultimă generație au fost dezvoltați și testați în principal pentru cercetări și costul lor limitează gama de aplicații posibile. Totuși este un număr mare de companii precum Aldebaran Robotics și Hitec care produc roboți umanoizi la scară redusă, cum ar fi Nao respectiv Robonova, care pot fi cumparați de către public [30],[31]. Cu toate acestea, acești roboți au fost creați pentru scopuri educaționale, nu pentru operații în aer liber.

Roboți patrupezi cu capacități dinamice avansate pentru a merge, potriviți pentru operații în medii extrem de nestructurate, sunt deja disponibili. Bigdog creat de Boston Dynamics, este un robot patruped ( înalțime: 1 m, lungime: 1 m, greutate: 90 kg) propulsat de un motor diesel care acționează un sistem hidraulic (Fig. 5 a). Fiecare picior prezintă trei grade de mobilitate active și un amortizor linear pneumatic compliant pasiv în gambă. Bigdog poate merge și galopa cu viteze de până la 0.8 m/s și se poate deplasa pe teren accidentat și în pante cu un unghi de până la 35, în timp ce este încărcat cu o greutate suplimentară de 50 kg [32].

Pentru sarcinile în care sarcina utilă este redusă, de exemplu supravegherea, mărimea robotului poate fi redusă. La această scară, complexitatea piciorului și cea a sistemului de control poate fi simplificată având totuși o mișcare performantă. De exemplu, RHex este un hexapod a cărui concept pentru locomoție a fost inspirat din structura gândacilor, care are picioare compliante ce îi permit o locmoție stabilă și a fost creat de o echipă formată din șase universități americane și canadiene (Fig. 5 b). În ciuda faptului că are doar un actuator la fiecare picior, RHex este capabil să ducă la îndeplinire sarcini complicate precum: mersul, alergatul, săritul peste obstacole și cățărarea scărilor [33].

Pe de altă parte, roboți cu picioare mari pentru sarcini utile grele sunt de regulă controlați cu mers static și se deplasează încet pentru a reduce tensiunile structurale cauzate de inerție. Un exemplu de asemenea robot este Titan XI, creat de Hirose-Fukushima Robotics Lab (Fig. 5 c) pentru consolidarea pantelor stâncoase (greutate: 7000 kg, lungimea picioarelor acționate hidraulic: 3,7 m) [34].

1.4. Sisteme de locomoție hibrid

Sistemele de locomoție hibrid sunt probabil cele mai interesante soluții pentru roboții mobili, deoarece combină avantajele mai multor clase de sisteme de locomoție în timp ce încearcă să evite dezavantajele acestora. De fapt, locomoția cu ajutorul picioarelor este cea mai adecvată soluție pentru medii nestructurate sau în medii structurate pentru oameni (de exemplu: în prezența unor scări). Pe de altă parte, oamenii adesea folosesc mijloace de locomoție cu roți sau cu șenile pentru ași mării viteze și eficiența energetică. Spre deosebire de natură, în realizarea unui robot mobil picioarele, roțile și șenilele pot fi integrate în aceeași structură.

1.4.1 Sistem de locomoție hibrid picior-șenilă

Roboți mobili hibrizi cu picioare și șenile sunt foarte populari pentru mediile dificele, dat fiind faptul că eficiența energetică și viteza nu sunt importante. Sunt multe moduri de a combina piciorul cu șenila. Cel mai simplu dintre ele este să folosești mai mult de două șenile (de regulă patru), care sunt într-o mișcare relativă față de cadrul robotului, pentru a obține locomoția prin intermediul picioarelor. Un exemplu al unei asemenea abordări sunt roboții mobili aflați în comerț creeați de iRobot pentru securitatea națională, supraveghere, inspecție și detecție de explozibili (Fig. 6 a). Acești roboți sunt extrem de rezistenți și fiabili, cu performanțe ale mobilității similare cu cele ale roboților cu șenile, dar cu o capacitate sporită de a depășii obstacole.

Pe de altă parte, roboți hibrizi cu sistem de locomoție P.Ș. care au o arhitectură a piciorului mai complexă au o mobilitate mai mare. Titan X, creat de Hirose Fukushima Robotics Lab (Fig. 6 b) este este un robot mobil patruped cu trei grade de libertate la fiecare picior; cele patru șenile au o funcție dublă: cea de transmisie mecanică pentru a acționa articulațiile genunchilor în timpul locomoției pe picioare și cea de șenile propriu zise pentru modul de locomoție pe șenile [35].

1.4.2 Sistem de locomoție hibrid roată-șenilă

Combinația de roți și șenile este foarte eficientă atunci când este necesară o performanță sporită a mișcării pe teren moale și inegal combinat cu teren artificial plat și compact. La roboții hibrizi cu locomoție R.Ș., poziția relativă a șenilelor și a roților sau forma șenilelor poate fi modificată ca să permită sau nu contactul roții cu solul. De exemplu, Institutul de Știință și Tehnologie Daegu Gyeongbuk a creeat un robot hibrid, care prezintă mai multe șenile de forme variabile (Fig. 7 a) [37]. În configurația prezentată în Fig. 7 a, locomoția este realizată prin intermediul șenilelor; pe teren plat, șenilele pot fi retrase și astfel locomoția va fi realizată de către roți.

Pe de altă parte, la robotul de transport Helios VI creat de Hirose-Fukushima Robotics Lab (Fig. 7 b), locomoția nu este realizată în totalitate de către roți; cele două roți frontale au fost adaugate pentru a mării capacitatea de a urca scările a robotului, nu pentru a îmbunătății eficiența energetică.

O altă abordare este sistemul patentat pentru roata lui Galileo, care de exemplu este adoptat în conceptul lui VIPeR, o platformă mobilă pentru sarcini de supraveghere creată de Elbit Systems (Fig. 7 c).

1.4.3 Sistem de locomoție hibrid picior-roată

Roboții picior-roată combină eficiența energetică a roților cu flexibilitatea picioarelor. Picioarele și roțile pot fi combinate practic în trei moduri [40]:

montând picioare adiționale pe corpul robotului cu roți

folosind module retractabile care pot fi folosite ca și roți sau picioare

plasând roțile pe îmbinările picioarelor (de regulă, dar nu întotdeauna, la capetele picioarelor)

Prima abordare este rareori adoptată. Conceptul unui robot care folosește alternativ roțile și picioarele, în funcție de condițiile terenului este relativ simplu. Marele dezavantaj este că greutatea robotului este în general ridicată, deoarece vehiculul este dotat cu două sisteme de locomoție separate. În plus, dacă picioarele și roțile sunt folosite simultan, avantajul din punct de vedere al eficienței energetice datorat roților este redus semnificativ.

Cea de a doua abordare este foarte interesantă. De exemplu un robot hibrid își poate folosi picioarele și ca roți este prezentat în Figura 8. Principalul dezavantaj al acestui robot este acela al complexității mecanice al modulelor retractabile și al fiabilității lor în medii prăfuite și în caz de șocuri.

Cea de a treia metode de a combina picioarele cu roțile este probabil cea mai eficientă. Un exemplu de R.H.P.R. este Octopus (Fig 9), creat de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) [41]. Are montat un senzor de basculare și roți tactile, în timp ce sistemul său de locomoție are 8 roți motorizate și un total de 15 grade de libertate, o mobilitate care asigură o adaptare sporită la teren accidentat și la depășirea obstacolelor.

Un alt exemplu este cel al conceptului roții triple pășitoare, introdus în proiectul microroverului Spacecat de către EPFL [42]. Microroverul are două module de locomoție cu trei roți care se pot roti independent față de corpul principal și îi permit roverului să ridice într-un mod activ una dintre roți pentru a putea trece peste obstacole (Fig. 10). Opt actuatori indepentenți sunt necesari pentru a controla mișcare: doi pentru modulele de locomoție și șase pentru roți.

Aceași geometrie a unității de locomoție cu trei roți, care asigură o performanță bună a mobilității pe teren accidentat și a capacității de a se cățăra peste obstacole este adoptată în familia de roboți mobili Epi.q, creată de Universitatea Tehnică din Torino în colaborare cu Universitatea din Genoa.

Epi.q este o familie de mini roboți inteligenți capabili să se miște într-un mediu structurat și nestructurat, șă se cațere peste obstacole și să urce și să coboare scările. Roboții Epi.q își adaptează într-un mod pasiv modul de locomoție de la mersul pe roți la pășitul pe picioare rotative, depinzând de condițiile de la sol și prezența obstacolelor, fără o intervenșie activă controlată. Folosind roțile când este posibil și picioarele doar când este necesar, necesarul energetic este foarte scăzut în comparație cu cel al roboților cu șenile sau cu picioare cu o capacitate similară de a depășii obstacole [2].

Creatorii roboților Epi.q au alcatuit un sistem, prezentat în Tabelul 2, pentru a determina principalele caracteristici luate în considerate în clasificarea modulară, legându-se doar de arhitectura mecanică a robotului: tipul de tracțiune (cu două sau patru unități de locomoție), numărul motoarelor de tracțiune, tipul transmisiei, modul de control al direcției, structura cadrului (cu referință specifică la articulațiile acestuia) și prezența suspensiei. De asemenea aceeași abordare modulară poate fi adoptată pentru a clasifica senzorii, tipurile de actuatori, sistemele de control și navigare, dispozitive opționale (ca și un braț robotic) etc. Cu ajutorul clasificării obținute în Tabelul 2, se poate crea o arhitectură specifică prin combinarea diferitelor caracteristici și acronimul arhitecturii este obținut prin unirea acronimelor caracteristicilor.

Tabel 2. Clasificarea caracteristicilor arhitecturii mecanice [2]

În ceea ce privește alternativele luate în considerate pentru sistemul de transmisie, sunt prezentate clarificări in Figura 11. Transmisia directă printr-un arbore (TA) este potrivită în cazul unei conexiuni directe între unitatea de locomoție și cadrul unde suspensiile sunt absente (FUS). În prezența suspensiilor, este necesar să se adopte un braț pivotant, care conectează cadrul și unitatea de locomoție. Transmiterea mișcării poate fi realizată în principal de curele (TC), roți dințate conice (TRC) sau roți dințate cilindrice (TRD). Soluții diferite implică per total mărimi și cerințe constructive diferite și pot fi selectate pe baza zonelor în care vor acționa și al bugetului valabil.

Cu privire la sistemul de suspensie, Figura 12 arată alternativele luate în considerare. În cazul unității de suspensie pasivă (USP), elementele elastice și de amortizare constrâng mișcarea relativă între brațul pivotant și cadrul robotului; o simplă soluție constructivă utilizează o pereche de roți dințate unite de brațul pivotant și de un element elastic de torsiune, după cum se poate observa în Figura 12. În cazul unității de suspensie activă (USA) elementul elastic/de amortizare este înlocuit de un actuator, care controlează poziția unghiulară a brațului; această soluție oferă atât un control eficient al vibrațiilor cât și o calibrare a posturii robotului. Defapt, mișcând brațele, întreg cadrul poate fi mutat în sus sau în jos, permițând robotului să-și îmbunătățească capacitatea de a analiza pașii sau pantele și de a-și îmbunătății marja de stabilitate statică. Totuși, soluția unei unități de suspensie complet activă (USA) poate fi prea costisitoare din punct de vedere energetic și prea complicată dintr-un punct de vedere al controlabilității. Așadar, poate fi interesant să creezi alternative în care elementele pasive sunt utilizați în combinație cu actuatori (USAP); elementele pasive pot fi dedicate pentru controlul vibrațiilor, în timp ce actuatorii pot fi în general însarcinați cu controlul posturii robotului, cum este prezentat în dreapta Figurii 2. Cuplarea elementelor pasive și active poate fi realizată în serie (cum este prezentată în Figura 2) sau în paralel.

Figura 13 arată prima propunere a creatorilor roboților Epi.q pentru o arhitectură mecanică. Ea este compusă dintr-un antetren (roșu), un cadru central și o osie în spate (albastră). Antetrenul este compus dintr-un cadru, legat de două unități de locomoție (2UL), care găzduiesc sistemul de transmisie și controlează locomoția robotului. Unitățile de locomoție sunt cu 3 picioare cu 3 roți montate la capătul fiecărei spiță; ele sunt puse în mișcare de 2 motoare de tracțiune (2MT) conectate la unitățile de locomoție prin intermediul unui arbore (TA). Controlul prin diferențial (CDP) a fost ales ca să asigure funcțiile de locomoție și direcție. Dacă ambele motoare, asociate unităților de locomoție sunt acționate în aceeași direcție și cu aceeași viteză, robotul se deplasează în linie dreaptă. Dacă o unitate de locomoție se rotește mai repede decât cealaltă, robotul urmărește o traiectorie curbă, virând înspre unitatea de locomoție mai înceată. Dacă una dintre unitățile de locomoție este oprită în timp ce cealaltă continuă să se rotească, antetrenul pivotează în jurul unității de locomoție oprită. Dacă unitățile de locomoție se rotesc cu o viteză egală dar în direcții diferite, ambele unități traversează un traseu circular în jurul unui punct centrat la mijlocul dintre cele două unități de locomoție, astfel antetrenul pivoteză în jurul axei verticale. Osia din spate este compusă din două unități de locomoție statice. Fiecare unitate constă într-o unitate statică cu trei picioare la capătul cărora sunt localizate radial 3 roți. Cadrul central este o platformă, care conectează antetrenul de osia din spate și care poate acomoda o încărcătură. Două articulații de revoluție pasive (AL-AV), ambele perpendiculare, unesc fața și spatele robotului. Articulația verticală permite direcționarea robotului, în timp ce articulația orizontală garantează contactul corect dintre sol și roți, chiar și fără un sistem de suspensie (FUS). Astfel, conform clasificării, această arhitectură poartă numele de 2UL 2MT TA CDP AL AV FUS. Această arhitectură a fost implementată pe robotul Epi.q-1 și pe robotul prototip Epi.q-TG AWD.

O arhitectură mecanică alternativă este prezentată în Figura 14, unde osia din spate este echipată cu un motor de tracțiune, conectat la cele două unități de locomoție din spate printr-un diferențial și arbori. Acronimul corespunzător este, așadar, 4UL 3MT TA CDP AL AV FUS. Această arhitectură a fost implementată pe robotul prototip Epi.q-TG-AWD. Această nouă versiune permite traversarea unor pante cu un unghi mai ridicat să fie traversate și în general se poate obține o mobilitate mai bună pe teren neregulat și inegal.

Figura 15 prezintă o arhitectură cu un control al direcției prin actuatori (CA), unde actuatorul pentru controlul direcției este introdus într-un cadru articulat cu o articulație centrală poziționată pe verticală, asemenea unor tipuri de excavatoare. Actuatorul controlează rotația relativă dintre antetren și osia din spate și în consecință traiectoria robotului. În această arhitectură doar un motor de tracțiune este conectat la unitățile de locomoție printr-un diferențial.

Este ușor de obținut o versiune cu 4 unități de locomoție, utilizând un antetren și o osie pe spate cu aceeași arhitectură, cum este prezentată în Figura 16. Acronimul arhitecturii este 4UL 2MT TC CA AVA USP.

De asemenea, într-o arhitectură cu o articulație centrală poziționată pe verticală, funcția de comandă a direcției poate fi obținută prin controlul independent al vitezei celor 2 motoare de tracțiune din față, respectiv al unităților din dreapta și stânga, cum este propus în Figura 17 pentru versiunea cu 4UL.

Schemele Figurilor 15-17 au legătură cu roboți care nu sunt echipați cu articulații orizontale. Astfel, este necesar să fie adăugat un sistem de suspensie (Figura 18) și un sistem de transmisie între motorul de tracțiune și unitatea de locomoție, pentru a asigura contactul dintre roți și sol.

Figura 19 ilustrează o arhitectură cu 4 unități de locomoție, 2 motoare de tracțiune și distribuția prin diferențial, cu controlul direcției prin actuatori și un cadru articulat cu o îmbinare pe orizontală și una pe verticală poziționate în regiunea centrală fără un sistem de suspensie. Această soluție, este relizabilă cu costuri minime datorată simplității sale, garantează o mobilitate optimă pe teren accidentat și posibilitatea de a trece peste trepte și scări. Traiectoria robotului poate fi impusă printr-o telecomandă care furnizează două semnale de referință: viteza de avans ( care este proporțională cu viteza unghiulară a celor 2 motoare de tracțiune) și raza de viraj (de care se ocupă actuatorul de direcție).

Figura 20 ilustrează o arhitectură cu un cadru articulat printr-o îmbinare pe longitudine, 4 unități de locomoție și 4 motoare de tracțiune. Sistemul de suspensie nu este implementat în această arhitectură și funcția pentru controlul direcției este obținută la fel ca și la vehiculele cu șenile.

Figura 21 propune ultima soluție constructivă a creatorilor roboților Epi.q. Pe fiecare parte, cele 2 unități de locomoție sunt constrânse pe un singur braț care este conectat de cadrul principal printr-o articulație de revoluție și 2 elemente elastice/de amortizare. Pe fiecare parte, doar un motor acționează ambele unități de locomoție.

Unitatea de locomoție proiectată și realizată pentru robotului Epi.q de către creatorii săi este principala caracteristică a acestuia. Este o unitate cu 3 picioare cu 3 roți poziționate radial montate la sfârșitul fiecărei spițe (Fig.22). Găzduiește sistemul de transmisie și controlează locomoția robotului. Dacă cuplul necesar pentru mișcarea robotului pe roți depășește cuplul necesar pentru locomoția pe picioare, robotul își schimbă modul de locomoție, de la mersul pe roți la pășitul pe picioare și vice versa. Astfel această unitate are nevoie doar de un motor, atât pentru locomoția pe roți cât și pe picioare. Sistemul de transmisie, într-un mod diferit de alți roboți mobili cu același concept de unitate de locomoție, este bazat pe transmisie planetară dar nu neapărat cel din Fig. 22, în combinație doar cu un actuator.

Pentru a determina rapotul dintre roțile dințate ale unității de locomoție și viteza de intrare a arborelui creatorii roții au procedat în următorul mod:

Au considerat sistemul de transmisie ca un angrenaj normal, așadar raportul dintre roțile dințate ale unității de locomoție kts a putut fi exprimat prin ecuația următoare:

(1)

Viteza unghiulară a arborelui de intrare este legată atât de viteza unghiulară a cadrului unității de locomoție și de viteza unghiulară a roților prin intermediul raportului dintre roțile dințate , cum este exprimată în ecuația 2:

(2)

Când robotul se mișcă pe roți (modul de avans) greutatea robotului și contactul dintre roți și sol creează constrângeri poziției unghiulare a unității de locomoție, cum sunt reprezentate în stânga Fig. 13; în mod particular pe pământ drept. Când robotul întâmpină un obstacol, dacă frecarea locală dintre roata din față și obstacol oprește roata, unitatea de locomoție începe să se rotească în jurul centrului roții oprite , permițând robotului să urce peste obstacol (modul de cățărare automat), cum este prezentat în dreapta Fig. 23.

Chiar dacă roboții Epi.q au caracteristici în comun, fiecare prototip are particularități care influențează performanțele acestuia; principalele diferențe constau în unitatea de locomoție (angrenaj și geometrie), arhitectura cadrului (localizarea și dispunerea articulaților) și alegerea dintre 2 sau 4 unități de locomoție active (FWD, AWD).

Un prim prototip creat de cei de la Universitatea din Torino în colaborare cu cea de la Genoa este cel al robotului hibrid Epi.q-1. Arhitectura cadrului acestuia este caracterizată de două articulații de revoluție mutual perpendiculare; articulația pe verticală permite controlul direcției robotului, în timp ce articulația pe orizontală asigură contactul între roți și sol chiar și pe teren accidentat. Cele două unități de locomoție din față pot fi schimbate dintr-o configurație închisă, care este potrivită pentru mișcarea în spații înguste, la o configurație deschisă, utilă pentru a traversa obstacole mai înalte și vice-versa. Fiecare unitate de locomoție este pusă în mișcare de un motoreductor Solarbotics GM17, specificațiile acestuia fiind cuplul maxim de aproape 1Nm și o viteză unghiulară când nu este în sarcină de 60rpm când este alimentat la 12V. Epi.q-1 cântărește aproximativ 2.6kg și masoară 160mm360mm280mm (înălțimelungimelățime), cu o unitate de locomoție care este înaltă de 125mm în configurație deschisă și 98mm în configurație închisă. Unghiul de viraj dintre axele din față și corpul central este limitat la o rază de în timp ce abaterea unghiulară dintre osia din spate și corpul central este limitată la . Pe teren plat viteza maximă este aproximativ 0.5m/s. Operatorul uman controlează robotul cu ajutorul unui transmițător Hitec–Laser 4 și semnalul radio este procesat de un driver Sabertooth 2X5 care aprovizionează motoarele cu tensiunea corespunzătoare. Sursa de putere atât pentru motoare cât și pentru componentele electronice este o baterie detașabilă de 11V/2200 mAh.

Cel de-al doilea prototip al celor de la Universitatea din Torino și Genoa este robotul hibrid Epi.q-TG FWD. Acesta are o unitate de locomoție mai robustă și mai eficientă față de Epi.q-1, care îi îmbunătățește performanțele pe teren accidentat. Fiecare unitate de locomoție este pusă în mișcare de un motoreductor cu specificațiile următoare: o viteză unghiulară de 81 rpm când nu este în sarcină și un cuplu maxim de aproape 0.5 Nm, când este alimentat la 12V. Capacitatea unității de a-și schimba configurația a fost înlăturată din cauza faptului că, complexitatea mecanică nu arăta beneficii semnificative din punct de vedere al performanței pentru majoritatea aplicațiilor. Epi.q-TG FWD cântărește aproximativ 4kg și măsoară 200mm450mm280mm (înălțimelungimelățime), cu o unitate de locomoție care este de 130mm. Unghiul de viraj dintre antetren și corpul principal este limitat la o rază de , în timp ce abaterea unghiulară dintre osia din spate și corpul central este limitată la o rază de . Pe teren neted viteza maximă care o poate atinge este de aproape 1m/s. Epi.q-TG FWD are același tip de baterie ca și Epi.q-1 și atunci când a fost testat pe un teren neted, a avut o autonomie de mai mult de 4 ore la o încărcare și a parcurs o distanță de 6km.

Epi.q-TG AWD, prezentat în Figura 26, este o evoluție a prototipului Epi.q-TG FWD și a fost conceput de către creatorii predecesorului său pentru a face trecerea de la 2UL la 4UL. Prototipul are 4 unități de locomoție active: unitățile de locomoție frontale au motoare electrice pentru a permite controlul direcției, în timp ce unitățile de locomoție din spate sunt dotate cu două motoare care sunt cuplate la axul de intrare al unui diferențial. Cele 4 motoreductoare au aceleași caracteristici ca și cele utilizate la Epi.q-TG FWD. Conceptul mecanic este în mare parte asemănător cu cel al predecesorului său, de vreme ce doar osia din spate a fost modificată. Epi.q-TG AWD cântărește în jur de 4.9kg și are aceeași mărime ca și Epi.q-TG FWD: 200mm × 450mm × 280mm (înălțimelungimelățime). Epi.q-TG AWD prezintă o performanță mai bună în comparație cu Epi.q-TG FWD pentru înălțimea maximă a obstacolului pe care-l poate depăși (115mm), datorită forței de împingere a unității din spate, dar beneficiile principale ale tracțiunii integrale sunt la urcarea pantelor și la deplasarea pe terenuri inegale și alunecoase. Pe teren neted viteza maximă pe care o poate atinge este de aproape de 1 m/s.

1.4.4 Sistem de locomoție hibrid picior-roată-șenilă

Azimuth este un exemplu de robot care combină toate trei tipurile de locomoție (Fig. 27); conține în structură patru articulații independente de tip P.R.Ș. care pot genera o gamă largă de moduri de locomoție ( mișcare omnidirecțională, cățărarea obstacolelor și cea a scărilor) [43]. Azimuth a fost conceput inițial pentru a executa sarcini într-un mediu interior controlat, deși conceptul poate fi adaptat și pentru mediul exterior. Singurul dezavantaj al acestuia este complexitatea mecanică ridicată.

1.5 Prezentarea avantajelor/dezavantajelor, performanțelor funcționale pentru soluțiile studiate

Făcând o referință la principalele trei categorii și cele patru categorii hibride de sisteme de locomoție (Fig. 1), în graficul din Figura 28, caracteristicile acestor sisteme sunt cuantificate în funcție de randamentul care îl au în medii nestructurate (axa y) și în eficiența energetică (axa x). Roboții cu roți se încadrează în zona din dreapta jos, cei cu picioare în zona din stânga sus și cei cu șenile sunt în mijlocul graficului. Locomoțiile hibride tind către zona din dreapta sus (din cauza combinării punctelor forte a celor trei sisteme de locomoție de bază).

De-a lungul axei X:

Roboții cu picioare sunt în zona din stânga deoarece acest tip de locomoție implică un impact între picioare și sol. Pe deasupra aceștia trebuie să transmită un cuplu în articulațiile acționate, chiar și în condiție statică (doar dacă nu sunt folosite transmisii nereversibile sau elemente elastice pretensionate pentru a compensa pentru forța gravitațională).

Roboții cu șenile sunt în mijlocul graficului deoarece impactul șenilelor cu solul este mai puțin important dar nu este absent. Mai mult de atât, elementele șenilelor sunt conectate prin câteva articulații de revoluție ce au o construcție simplă și un randament din punct de vedere al eficienței energetice mediu spre slab.

Roboții cu roți sunt în zona din dreapta deoarece au puține articulații de revoluție (una pentru fiecare roată), de obicei relizată prin intermediul unui rulment cu bile cu o eficiență energetică ridicată.

De-a lungul axei Y:

Roboții cu roți sunt în zona inferioară deoarece o roată fără dispozitive adiționale nu poate depășii obstacolele, dacă contactul inițial cu profilul obstacolului nu este la o distanță semnificativ mai joasă de axul roții.

Roboții cu șenile se află la mijloc din cauza suprafeței mari de contact cu solul ce le permite acestora să gestioneze mai bine terenul accidentat și de asemenea presiunea de contact este redusă.

Roboții cu picioare sunt în zona superioară, din cauză că locomoția lor le permite un număr mare de grade de libertate în timpul mișcării în mediile nestructurate, de vreme ce le permite roboților să-și selecteze punctele de contact dintre picioare și teren/obstacol.

În general, sistemele cu locomoție hibridă combină punctele forte ale categoriilor din care ei derivă. De aceea, în graficul din Fig. 28, fiecare categorie de roboți hibrizi ar trebui să fie situată în zona caracterizată de valorile maxime ale categoriilor originale de-a lungul axelor. Soluțiile de roboți hibrizi în care sistemele de locomoție împart un membru comun (de exemplu, roboții P:R. bazați pe conceptul roții epicicloide; vezi secțiunea 1.4.3) sunt mai buni în comparație cu soluțiile în care două sisteme de locomoție nu sunt folosite niciodată combinate (asemenea robotului cu R.Ș. din Fig. 7).

În Tabelul 3 se face o comparație a diferitelor sisteme de locomoție referitoare la cele nouă caracteristici discutate în introducere. Primele șapte caracteristici sunt măsurabile din punct de vedere cantitativ, iar celelalte două descriu complexitatea sistemului. De vreme ce roboții mobili pot avea diferite marimi, unele caracteristici (viteza maximă, capacitatea de a depășii obstacolele, cățărarea unei trepte/ a scărilor, cea de a pășii pe teren inegal) au fost normalizate în funcție de dimensiunile robotului. Caracteristica de a depășii obstacolele este definită ca și capacitatea de a trece peste obstacole cu forme aleatorii în medii nestructurate (Tabelul 1). Totuși, o formă semicirculară a fost aleasă pentru compararea capabilității acestora de a trece peste obstacole.

După cum am menționat mai sus, sistemele de locomoție care conțin roți se bucură de viteze mari și o eficiență energetică bună. În mod particular, roboții cu roți care sunt un produs derivat din industria auto, care prezintă suspensii asemenea mașinilor și un sistem de direcție de tip Ackermann, care maximizează acești doi parametrii. Dar aceste două trăsături nu sunt neapărat cele mai importante; în funcție de sarcinile pe care robotul trebe să le îndeplinească și anume să depășească și să se cațere peste obstacole atunci se pot combina roțile cu picioarele într-un robot hibrid, pe de altă parte dacă implică mersul pe un teren moale și schimbător pentru a îmbunătății mobilitatea robotului se vor adăuga șenile, deoarece acestea au o suprafață de contact mărită în timp ce picioarele sunt mai eficiente pentru obstacole rigide și cu forme complexe.

Tabelul 3. Comparația sistematică a caracteristicilor sistemelor de locomoție

Criteriile de evaluare pentru cuantificarea primelor șapte caracteristici propuse sunt detaliate mai jos:

Viteza maximă – este raportul dintre viteza maximă și lungimea totală a robotului.

Capacitatea de a depășii obstacolele – este raportul dintre înălțimea maximă a obstacolului cu un profil lateral semicircular care poate fi depășit și înălțimea robotului

Capacitatea de a se cățăra pe o treaptă/scări – este raportul dintre înălțimea maximă a unei trepte pe care se poate cățăra robotul și înălțimea acestuia

Capacitatea de urcare în pantă – panta cu înclinație maximă pe care o poate urca

Capacitatea de a pășii pe teren moale – capacitatea de a pășii pe: teren compact, teren mediu spre moale și nisip

Capacitatea de a pășii pe teren inegal – este raportul dintre asprimea maximă a terenului care poate fi traversat (teren pietros cu forme aleatorii) și înălțimea robotului

Eficiența energetică – este raportul dintre energia potențială gravitațională dobândită în timp ce robotul urcă o pantă cu o viteză redusă și energia furnizată actuatorilor

Este important de notat faptul că alunecările în prezența terenurilor instabile, pantelor sau a obstacolelor care este unul dintre principalele impedimente în mobilitatea roboților, este un fenomen complex care este influențat semnificativ de sistemul de control [44]. Sistemele potrivite bazate pe componente video sau control adaptiv pot îmbunătății mobilitatea roboților cu roți și cu șenile [45]. În ceea ce privește locomoția pe picioare, controlul echilibrului în prezența unei alunecări este realizat de roboți de ultimă generație cu mers dinamic, precum Bigdog.

Cap. 2 Proiectarea sistemului de locomoție pentru roboți modulari

Cap. 3 Proiectarea familiei modulare de roboți mobili ce se adaptează la suprafețe accidentate