Шагающий аппарат представляет собой сложную механическую систему. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с использованием ног связаны с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающих требуемые кинематические возможности шагающего устройства. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль над их реализацией. Создание системы управления аппаратом - является одной из проблем шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом. Алгоритмы, с помощью которых реализуется управление роботом, весьма сложные. Например, траектории движения звеньев исполнительного механизма должны формироваться с учетом его динамических свойств и обеспечивать устойчивость движения робота в пределах шага, а обратная задача кинематики подразумевает решение системы нелинейных алгебраических уравнений со многими переменными итерационным методом. Динамические свойства робота как механической системы требуют обеспечения высокой (порядка единиц миллисекунд) точности выдержки временных параметров процессов управления. Таким же должно быть и время реакции на различные события, сопровождающие движение робота (например, столкновения). С появлением вычислительной техники, исследования в направлении создания шагающих машин получили широкое развитие. [Тимонов 2002]

В этом ключе интересно рассмотреть композиционную концепцию построения шагающих роботов, т.к. эта концепция сходна с физиологическими моделями управления движением в живых организмах. Поэтому можно полагать, что композиционная концепция является биологическим подходом в робототехнике.

В соответствии с этой концепцией низший уровень управления локомоционным процессом может быть представлен как результат коллективной работы независимых замкнутых систем автоматического регулирования (регуляторов). Какие-либо связи между отдельными регуляторами (горизонтальные связи) отсутствуют. Иными словами, шагающий робот как единый автомат может быть представлен композицией некоторого количества элементарных независимо функционирующих автоматов, а локомоционный процесс результатом совместного действия этих автоматов. Каждый автомат решает свою собственную задачу и таким путем вносит свой вклад в формирование локомоционного процесса.

Каждый элементарный автомат представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования и управляет только одним суставом. В то же время отдельный сустав в различных фазах цикла движения ноги может управляться несколькими различными регуляторами. Одноименные суставы всех ног управляют одним из параметров походки, например, таким как длина шага, высота тела робота относительно опорной поверхности или же скорость передвижения робота. Управление всеми суставами робота осуществляется параллельно, что обеспечивает высокий уровень распределенности системы управления.

Желаемые параметры походки робота задаются более высоким уровнем системы управления и остаются постоянными в процессе ритмичной ходьбы. Такой подход к проблеме шагающих роботов существенно упрощает управление локомоционным процессом и делает его более наглядным.

Реализация предлагаемого подхода для построения шагающих роботов может быть достигнута путем решения проблемы сенсорных систем для автоматов. Эта проблема была решена путем применения наборов датчиков, объединенных в сенсорную систему, способную измерять каждый параметр походки [Чернышев, 2008].

Создание шагающих механизмов - это задача с очень давней историей. Пожалуй, основные конструкторские принципы были еще в IX веке в работах Чебышева.

На рис 2 изображен стопоходящий механизм П.Л. Чебышева.

Рис 2. Стопоходящий механизм Чебышева

Сегодня исследования по механике и управлению движением мобильных роботов проводятся во всех развитых странах мира.

В области теории их движения и управления Россия, благодаря работам Ю. Ф. Голубева, В. Г. Градецкого, Е. А. Девянина, С. Л. Зенкевича, И. А. Каляева, А. В. Ленского, В. А. Лопоты, И. М. Макарова, И. В. Новожилова, Д. Е. Охоцимского, В. Е. Павловского, В. Е. Пряничникова, А. В. Тимофеева, А. М. Формальского, Е. И. Юревича, А. С. Ющенко и др. занимает одно из ведущих мест в мире.

Вопросы механики шагающих движителей наиболее детально рассматриваются в работах ученых Института машиноведения РАН, где разработана теория построения рациональных движителей многоногих шагающих машин.

В области теории движения и управления шагающими роботами адаптивного типа наиболее известны работы ученых Института прикладной математики РАН и Института механики МГУ показано, что решение таких сложных задач как построение адаптивного движения конечностей, обеспечение статической устойчивости шагающих машин, стабилизация и управление движением и др. могут быть успешно решены.

Наиболее детально вопросы механики и управления движением многоногих шагающих аппаратов рассмотрены в монографии Д. Е. Охоцимского и Ю. Ф. Голубева. В работе определяются методы описания и исследования походок многоногой машины, рассматриваются вопросы статической устойчивости и распределения реакций при движении шагающей машины, описывается динамическая модель движения, рассмотрены вопросы построения движения шагающих движителей, вопросы стабилизации движения и методы построения законов движения машины на местности.

При разработке шагающих аппаратов весьма актуальны проблемы динамики и управления движением. Так же рассматриваются вопросы математического моделирования управления движением и энергозатраты; рассматриваются задачи динамики управляемого движения шагающих машин и вопросы связанные с синтезом их систем. Разрабатываются алгоритмы управления и динамическая и динамическая модель управления шагающими аппаратами. На практике часто используют несколько математических моделей для изучения характеристик одной и той же машины в разных режимах ее движения, учитывая наиболее существенные для данного режима факторы. В этих условиях целесообразно иметь универсальную обобщенную динамическую модель, которая может быть трансформирована в более простые модели при решении частных задач [Чернышев, 2008] Однако, для поставленных задач в данном дипломном проекте, нет необходимости в построении математической модели, поэтому все исследования будут проводиться на натурном макете.

Обзор рынка