Mobilní hybridní robot typu noha-kolo

-- 26.07.11 15:36

Flexibilní programování pomáhá při vývoji energeticky účinného hybridního robota typu noha-kolo, který dokáže jet rychle a plynule na rovném terénu a stabilně překonávat přirozené nebo umělé terénní překážky.
Integrovaný software a hardware pomohl při navrhování mobilního robota využívajícího ty nejlepší vlastnosti noh a kol, dvou široce využívaných metod pozemní lokomoce. Tým laboratoře BioRoLa (Bio-Inspired Robotic Laboratory) využil kombinace kolového pohybu na rovném povrchu a pohybu nohách na nerovném terénu při návrhu hybridního robota pro rovný nerovný terén. V porovnání s většinou hybridních platforem se samostatnými mechanizmy a akčními členy pro kola a nohy využívá tento čtyřnohý hybridní mobilní robot typu noha- -kolo „transformačního mechanizmu“, který deformuje součásti těla, aby se chovaly buď jako kolo, nebo jako noha.

Z geometrického hlediska má kolo obvykle kruhový ráfek a osu otáčení ve středu ráfku. Ráfek je v kontaktu s podložkou a osa otáčení je připojena k tělu robota v bodě, který v tomto článku budeme označovat jako „kyčelní kloub.“ Ve většině případů kolového pohybu na rovném povrchu se kolo otáčí plynule a kontaktní bod kola s podložkou se nachází přímo pod kyčelním kloubem ve fixní vzdálenosti. Naproti tomu při pohybu po nohách se noha pohybuje periodickým způsobem bez specifické geometrické konfigurace mezi kyčelním kloubem a bodem kontaktu s podložkou. Relativní pozice nohou se během pohybu mění. Přesun kyčelního kloubu mimo střed kruhového ráfku a změna plynulého rotačního pohybu na jinou strukturu pohybu znamená, že se pohyb změnil z kolového režimu na nožní režim. To bylo konstrukční motivací pro mechanizmus, který přímo řídí relativní pozici kruhového ráfku vzhledem ke kyčelnímu kloubu, takže může nabízet kolový i nožní pohyb.

Protože kruhový ráfek je dvourozměrným objektem, přidání druhého stupně volnosti může změnit relativní pozici kyčelního kloubu vzhledem ke středu kruhového ráfku v radiálním směru. Pohyby ve dvou stupních volnosti jsou vzájemně kolmé. Stejný akční člen lze používat v kolovém i nožním režimu. Výpočty robota zajišťuje zabudovaný řídicí systém reálného času běžící na frekvenci 400 MHz s frekvencí smyčky 1 kHz a zabudovaným šasi s programovatelným hradlovým polem (FPGA) běžícím na frekvenci 10 kHz. Mikroprocesor řídicího systému reálného času komunikuje s přenosným počítačem PC pro dálkové řízení pomocí standardních bezdrátových protokolů IEEE 802.11. Pole FPGA se připojuje k digitálním a analogovým I/O modulům, které jsou připojeny k senzorům a akčním členům robota.

K senzorům robota patří teplotní senzory na motorech a čipy zesilovače pro monitorování zdraví, senzory měřící napětí a proud pro řízení spotřeby energie, senzory s Hallovým efektem pro kalibraci konfigurace noha-kolo, šestiosá inerciální měřická jednotka (Inertial Measurement Unit – IMU), dvouosý sklonoměr pro měření stavu těla a tři infračervené senzory vzdálenosti pro měření výšky nad podložkou. Pro lepší vnímání okolí robota se využívají systémy GPS, počítačové vidění a laserové dálkoměry. K akčním členům patří osm stejnosměrných kartáčových motorů pro jízdu, dva dálkově ovládané servomotory s vysokým krouticím momentem pro zatáčení přední nohy-kola a čtyři malé dálkově ovládané servomotory a čtyři malé stejnosměrné kartáčové motory pro přepínání režimu noha-kolo. Na odkazu bit.ly/fD9iO2 (pouze v angličtině) naleznete více informací o třech jádrech softwaru, hardwaru, přínosech softwaru, senzorech a vnímání, a autorech řešení. Viz obrázek.

Autor: P. C. Lin, S. C. Chen, K. J. Huang, S. Y. Shen, C. H. Li, National Taiwan Univer