Источник изображения: linuxgizmos.com
Передвижение по земной поверхности по принципу ходьбы – это своего рода «Святой Грааль» робототехники.
В разное время многие изобретатели пытались решить эту проблему на том уровне науки и техники, который был доступен на тот момент. И лишь недавно, с появлением роботов Boston Dynamics, китайского производителя, эта проблема стала решаться достаточно быстрыми темпами.
В этой статье мы попытаемся порассуждать о том, как мог бы выглядеть перспективный ходунок, если бы эту проблему решили на современном уровне.
Ввиду моего живого интереса к теме робототехники, который подкрепляется постоянными практическими экспериментами, я всегда стараюсь держать руку на пульсе того, что происходит в теме шагающих роботов и постараюсь изложить некоторые свои мысли в Эта статья.
Человечество уже довольно давно мечтает о «механической лошади» — изобретатели «копают» эту тему, не останавливаясь ни на минуту.
Если изначально конструкции различных ходунков были довольно примитивными и представляли собой, по сути, рычажные конструкции: Затем, с появлением двигателя внутреннего сгорания и компактного источника энергии в виде бензина, изобретатели стали пытаться использовать такие двигатели для создания механических устройств.
Причем эти попытки не закончились и сегодня: Получается, конечно, довольно забавно, но показывает степень интереса к этой теме людей совершенно разных областей и разного уровня знаний.
Крупные корпорации также не остались в стороне и периодически выдвигают свои довольно интересные идеи, среди которых можно назвать, например, шагающий комбайн Plusjack, разработанный финской компанией.
Его движения имитируют движения муравья, и при его разработке компания руководствовалась желанием создать некое устройство, способное передвигаться по пересеченной местности в глубине леса.
Источник изображения: zen.yandex.ru
Ей это вполне удалось, и такой лесной трактор-комбайн успешно передвигался по лесным буреломам, практически не оставляя после себя следов.
Источник изображения: pikabu.ru
Однако по неизвестным причинам компания не стала производить эту машину в больших количествах и мир потерял довольно интересное устройство.
Аппарат был выпущен в количестве всего 3 штук, несмотря на его вполне успешную эксплуатацию.
Источник изображения: pikabu.ru
Среди других хорошо известных примеров больших ходунков — два, построенные энтузиастами: Prosthesis и Mantis.
Причем первый из них, который разрабатывался более 10 лет, представляет собой своеобразный мощный экзоскелет, управляемый движениями человека.
Разработчик использует его в демонстрационных целях: Второй, «Богомол», построил инженер, потративший около 4 лет на разработку такого устройства.
Робот весит около 1900 кг и приводится в движение 2,2-литровым турбодизельным двигателем Perkins мощностью 50 л.
с.
С.
Двигатель приводит в действие гидравлическую систему, состоящую из 18 приводов, и позволяет роботу двигаться со скоростью до 1 км/ч.
Как несложно заметить, общей чертой всех трех перечисленных выше роботов является использование гидравлического привода, что в конечном итоге приводит к достаточно медленному передвижению.
Конечно, из-за большого веса робота необходимо использовать такие решения, но хотелось бы видеть их скорость значительно выше (здесь следует сделать оговорку, что это зависит от целей, для которых предназначен данный конкретный робот).
- вполне может быть медленно, если достижение целей на такой скорости будет успешным).
Но так ли уж плоха гидравлика в качестве привода? Вовсе нет: хорошим примером высокоскоростной гидравлической системы может быть знаменитый робот BigDog, который приводился в движение 15-сильным двухтактным двигателем, приводившим в действие гидравлический насос, прокачивавший гидравлическую жидкость через систему робота на высокой скорости.
Устройство оказалось достаточно эффективным, позволяя ему двигаться со скоростью до 3,1 м/с.
Однако создание роботов этого типа оказалось дорогостоящим даже для Пентагона, в связи с чем военные отказались от внедрения мула-носильщика (одна из следующих разработок), предназначенного для перевозки мин и снарядов по горам и пересеченной местности: Логично предположить, что для других частных компаний (если они найдутся и возьмутся за разработку аналогичного решения) высокая сложность и дороговизна разработки могут стать непреодолимой проблемой.
В связи со всем вышесказанным, давайте подумаем, может ли быть альтернативное решение для прогулочной системы по бездорожью? Пневматический принцип сразу приходит на ум как альтернативный способ привода роботов.
Почему: потому что позволяет использовать один центральный пневмоблок, создающий давление и распределяющий его по системе трубопроводов к исполнительным механизмам.
Таким образом, мы имеем достаточно легкое, относительно недорогое решение, с небольшим весом конструкции в целом.
Напротив, электропривод потребует гораздо больших материальных затрат на установку соответствующих мощных двигателей и подвод к ним электроэнергии, а также ее хранение и выработку.
Именно поэтому пневматические решения достаточно широко распространены на пассажирском транспорте: пневмоприводы используются для открывания дверей в автобусах и вагонах метро.
Однако по-настоящему мощных пневматических решений не существует, хотя некоторые усилия в этом направлении предпринимаются: ряд компаний разрабатывают шагающих роботов: и андроиды, приводимые в движение пневматическими мускулами: которые представляют собой жесткую оболочку, внутри которой гибкий мешок может надуваться и сжиматься.
Оболочка ограничивает возможность бокового надувания этой сумки, поэтому ее длину приходится увеличивать и уменьшать: 
Автор: Rocketmagnet ([email protected]) — компания Shadow Robot, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org/w/index.phpЭcurid=2107309
Высокая стоимость решений такого рода и тот факт, что инженеры недавно обратили на них внимание, пока не позволяют нам радоваться чему-то по-настоящему впечатляющему.
Пневматические приводы роботов в шагающих системах пока не получили широкого распространения, в связи с молодостью компьютерных ходунков в целом (на мой взгляд), хотя в обычной промышленности пневматические приводы используются очень широко: Кроме того, если мы собираемся передавать некоторую увеличенную мощность, то инженер, скорее всего, предпочтет использовать гидравлические системы, а не пневматические, поскольку они обещают гораздо больше преимуществ.
Еще раз возвращаясь к теме электрических шагающих систем, хотелось бы отметить, хотя, конечно, все мы знаем о работах в области шагающих роботов от Boston Dynamics или Unitree Robotics: а ведь речь идет о действительно мощной машине, этаком «скоростном шагающем танке» для перевозки более 1 человека! Но такие электрические системы пока не наблюдались (и, судя по всему, еще долго не будут наблюдаться).
Несмотря на такое положение вещей, существует один тип «условно-пневматических систем», если их можно так назвать, использующих энергию нагретых газов: линейные двигатели внутреннего сгорания.
В нашей стране самым известным подобным устройством можно назвать «беговые ботинки» — линейные двигатели, появившиеся около 30 лет назад и представляющие собой цилиндры под подошвой бегуна, в которые впрыскивается топливо, которое воспламеняется под давлением.
Источник изображения: rusdarpa.ru
Конструкторам удалось разработать устройство, в котором происходит достаточно мягкий процесс горения, позволяющий носящему их человеку бегать со скоростью до 30 км/ч, прыгая более чем на полметра в высоту.
При этом расход топлива составляет около 140 грамм/час, а экономия затрат энергии бегуна составляет около 70%.
Источник изображения: dvs.ugatu.ac.ru 
Источник изображения: dvs.ugatu.ac.ru
За рубежом устройства такого типа (линейные приводы) используются в качестве катков при дорожных работах.
По своей сути они представляют собой тот же линейный двигатель, в котором происходит первичное сжатие смеси, после чего оператор нажимает кнопку на рукоятке, что вызывает скачок электрической искры, воспламенение смеси, раскачивание всей установки, новое сжатие, после чего процесс повторяется: Почему я упомянул этот тип устройств: основная проблема многих робототехнических систем — их вес и необходимость генерировать достаточно большое количество энергии за короткий промежуток времени.
Более того, эту энергию надо как-то эффективно транспортировать, применять и пополнять.
Всем этим требованиям, на мой взгляд, линейный двигатель вполне удовлетворяет. Предположим, что гипотетическое устройство представляет собой робота-сороконожку с линейным двигателем внутреннего сгорания, установленным в каждой ноге.
Движение ног происходит за счет вспышки смеси в каждой ноге, а также изменения угла наклона этой части ноги относительно горизонта.
Другими словами, робот наклоняет ноги, чтобы оттолкнуться и двигаться вперед. Он может передвигаться как условно «подпрыгивая», так и поочередно переставляя (даже скорее «перебрасывая») ноги.
На картинке ниже показан примерный принцип.
В состоянии покоя, когда машина неподвижна, первоначальный импульс может быть придан каким-либо пневмостартером, как в танках, где сжатый воздух запускает двигатель танка.
В нашем случае сжатый воздух может дать предварительный импульс (если он подается в цилиндры линейных двигателей) для «подброса» робота, после чего он приземлится, предварительно сжимая смесь в камерах сгорания, попеременно вспыхивая в них.
и робот начнет двигаться.
Мощность такой системы может быть очень большой, вспомним дизельный копр, где сначала груз поднимается, затем опускается, а в самой нижней точке, когда воздух под грузом сжимается и нагревается, дизельное топливо Туда впрыскивается топливо, которое воспламеняется от температуры.
Энергия процесса такова, что позволяет забивать сваи в землю: Для стабилизации процесса сгорания можно использовать все разработки: форкамеры в цилиндрах, свечи зажигания с поверхностным разрядом (где разряд охватывает внешнюю часть свечи зажигания и ее площадь настолько велика, что просто не оставляет шансов топливу чтобы не воспламениться), использование нескольких баллонов в одной ноге (2-3 баллона установлены рядом и работают вместе или поочередно.
Цель – создание резервных систем в каждой ноге, которые гарантированно позволят роботу взять шаг, даже если один из двух-трех цилиндров в ноге не работает) и т.д. Таким образом, в итоге мы можем получить достаточно мощную систему, не требующую транспортировки энергии для движения в каждой ноге, поскольку необходимый для этого двигатель интегрирован непосредственно в нее.
Это позволит роботу быть как достаточно мощным (грузоподъемным), так и осуществлять высокоскоростное движение по пересеченной местности.
В заключение: довольно давно я наткнулся на интересную разработку, созданную специалистами Лаборатории биомиметических систем Калифорнийского университета в Беркли.
Созданная ими модель робота представляла собой шестиногое устройство, имитирующее тип движения таракана.
Устройство было создано с помощью лазерной резки и приводилось в движение миниатюрным электродвигателем.
Устройство оказалось чрезвычайно маневренным: Видимо это видео впечатлило многих, ведь спустя некоторое время после появления данной разработки двое молодых учёных с докторскими степенями запустили стартап, который начал производить такого рода радиоуправляемых роботов для детей.
Проект назывался Kamigami Robots: На сегодняшний день, по моим наблюдениям, это самые быстродвижущиеся роботы-сороконожки.
Нетрудно представить, что если такое устройство повторить в масштабе (разумеется, не из бумаги, а из соответствующей металлической конструкции), скажем, так, что оно будет длиной 7 метров, оснащено качественным подвесом.
(чтобы максимально уберечь ездоков от тряски), то такая платформа могла перевозить до 6 человек и передвигаться по пересеченной местности, как своеобразный туристический прогулочный автобус! Запускать? Почему нет. 
Теги: #Сделай сам или Сделай сам #роботы #Разработка робототехники #Робототехника #Читальный зал #разработки #будущее #ruvds_articles #ruvds_articles
-
Не Обновляйте Операционные Системы!
19 Oct, 24 -
Развитие Видеокарт В 2000-Е Годы
19 Oct, 24
