سیستم کنترل حرکتی مرکب ترکیب خزنده و راه رفتن برای ربات چند بازوی چند بازو برای تطبیق زمین های بدون ساختار و ناشناخته

نحوه بهبود عملکرد وظیفه و نحوه کنترل یک ربات در محیط های شدید هنگامی که فقط از چند سنسور برای به دست آوردن اطلاعات محیطی استفاده می شود ، دو مشکل برای روبات های پاسخ به فاجعه (DRR) است. در مقایسه با DRR های معمولی ، ربات نوع خزنده چند فلزی چند باز (MAMFR) از قابلیت تحرک و کارآیی بالایی برخوردار است. از آنجا که ، روبات های خزنده و روبات های چهارگانه دارای مزایای مکمل در حرکات هستند ، بنابراین ما این چشم انداز را داریم که هر دو این مزایا را در MAMFR ترکیب کنیم. معمولاً ، MAMFR (مانند هشت پا چهار بازوی چهارگوش) برای کار در محیط های شدید مانند آن با دود سنگین و مه طراحی شده است. بنابراین این یک شرط کاملاً ضروری است که DRR حتی اگر سنسورهای بینایی و لیزر در دسترس نباشند ، باید توانایی کار در شرایط را داشته باشند. برای به حداکثر رساندن توانایی تطبیق زمین ، توانایی خود تعادل و مانع بیش از توانایی در سایت فاجعه بدون ساختار و همچنین کاهش دشواری کنترل ربات ، ما یک سیستم کنترل نیمه خود را برای تحقق این روش حرکتی مرکب برای MAMFR ها پیشنهاد کردیم. در این استراتژی کنترل ، ربات می تواند زمین را کشف کرده و اطلاعات اساسی در مورد اطراف آن را با ساختار و سنسورهای داخلی آن ، مانند رمزگذار و واحد اندازه گیری اینرسی بدست آورد. به جز این که سیستم کنترل همچنین می تواند رابطه موقعیتی نسبی بین ربات و محیط اطراف را از طریق بازوها و خزنده های آن هنگام حرکت ربات تشخیص دهد. از آنجا که قوانین کنترل ساده اما مؤثر است ، و هر قسمت می تواند وضعیت خود را به طور خودکار مطابق با حالت روبات تنظیم کند و زمین کاوش شده ، MRMFR ها سازگاری و ثبات زمین بهتری دارند. نتایج تجربی با یک شبیه ساز واقعیت مجازی نشان داد که سیستم کنترل طراحی شده به طور قابل توجهی پایداری و تحرک ربات را در کارها بهبود می بخشد ، همچنین نشان داد که ربات می تواند هنگام کنترل توسط سیستم کنترل طراحی شده ، زمین پیچیده را تطبیق دهد.

زمینه

از آنجا که از روبات های پاسخ به فاجعه (DRR) در کوهستان در ژاپن استفاده شده است [1] ، انواع مختلفی از روبات ها با عملکردهای مختلف مانند ربات مار [2] ، پرش ربات [3] ، یک روبات نجات بازو ایجاد شده است [4]] ، و غیره. DRR هایی که دارای چهار زیر آبگرم هستند ، اغلب در کار پاسخ به فاجعه استفاده می شوند [5 ، 6]. این نوع ربات در کوچک کردن اندازه با بلند کردن زیر خزان ها برای چرخش در فضای باریک و کشش اندازه با چرخاندن زیر خزان به سمت پایین به سمت بالا رفتن از موانع ، سود دارد. بسیاری از DRR ها دارای یک سکوی تلفن همراه مجهز به چندین سنسور هستند ، از این رو این روبات ها می توانند بر اساس اطلاعات محیطی به دست آمده از سنسورها وظایف خود را انجام دهند.

با این حال ، DRR های فعلی از نظر تعادل بین تحرک ربات و عملکرد دستکاری بازو برخی از مشکلات را دارند. بیشتر DRR ها فقط در یکی از آنها تخصص دارند ، اما هر دو در کارهای پاسخ به فاجعه مهم هستند. به منظور بهبود عملکرد DRR ها و همچنین امکان اعزام آنها در سایت های فاجعه پیچیده تر ، ما هشت پا هیدرولیک محور (H-Octopus) را توسعه داده ایم ، که دارای چند DOF (درجه آزادی) چهار بازو نصب شده بر روی چهار زیر استربات کرولر [8 ، 9]. ما سپس اختاپوس الکتریکی محور (E-Octopus) را برای کاربردهای مخصوص داخلی توسعه دادیم ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. ساختار چهار بازوی و چهار کراولر تحرک عالی و توانایی عملی را فراهم می کند ، که هم عملکردهای مهم و هم مفید هستندبرای کار پیچیده پاسخ به فاجعه.

اختاپوس الکتریکی محور (E-Octopus) ، که دارای چهار خزنده و چهار ربات پاسخ به فاجعه سلاح است

اساسی ترین نیاز برای DRR رسیدن به مکان تعیین شده است. بنابراین ، ابتدا باید تحرک ربات در نظر گرفته شود. این ربات موظف است در شرایط دلخواه توانایی جابجایی محیط دلخواه را داشته باشد. بنابراین ، تحرک که باید در اصل بهبود یابد ، شامل دو جنبه زیر است.

تحرک در محیط بدون ساختار ربات باید از زمین هندسی پیچیده مانند زمین خشن ، زمین ناپایدار و بدون ساختار ، مرحله بالا و موانع عبور کند. برای پایان دادن به این امر ، ربات باید از ساختار فیزیکی مناسب و یک سیستم کنترل برخوردار باشد تا ثبات و نیروی محرکه را به جهت های دلخواه ، به ویژه ، عمودی به سمت بالا فراهم کند.

تحرک در محیط ناشناخته (کم دید) ربات باید حتی در صورت دید برای اپراتورهای انسانی و/یا خود ربات بسیار کم باشد. در محیط شدید با دود و مه ، سنسورهای بینایی برای بومی سازی ، نقشه برداری و ناوبری نمی توانند اطلاعات زیست محیطی کافی را بدست آورند. علاوه بر این ، حتی وقتی چنین سنسورهای بینایی شکسته می شوند ، ربات همچنان برای ادامه وظایف یا بازگشت به پایگاه نجات حرکت می کند.

برای تحقق این دو الزام با هم ، ما یک روش حرکت مرکب را برای ادغام کنترل خزنده ها و اسلحه ها برای حرکت روبات پیشنهاد کردیم. در این روش ، خزنده عمدتاً ربات را هدایت می کند ، و چهار اسلحه به ربات کمک می کنند که مانند یک ربات چهار نفره حرکت کند. این روش نه تنها می تواند اشکالات هر روش حرکتی را جبران کند ، بلکه مزایای هر روش حرکتی را نیز تقویت می کند.

در حال حاضر ، بسیاری از دستگاه های DRR و ساخت و ساز ساختاری از نوع خزنده را اتخاذ می کنند. Titan XI [10] دارای چهار پا قوی تر و دو خزنده است که می تواند زمین های مختلف را با تغییر روش های حرکتی ، مانند پیاده روی روی شیب با استفاده از چهار پا یا خزیدن در زمین مسطح با استفاده از دو خزنده سازگار کند. با این حال ، هیچ روش کنترل برای ترکیب مزایای خزیدن و راه رفتن در همان زمان برای Titan XI وجود ندارد. با این حال ، برخی از روبات ها مکانیسم پا را اتخاذ می کنند که برای زمین های نامنظم مناسب تر باشد [11]. در اینجا ، MAMFR دارای خزنده و پاها (بازو) است ، بنابراین می تواند با استفاده از خزنده ها حرکت کند و علاوه بر این ، با برقراری تماس با اسلحه با زمین ، پایداری و تحرک را بهبود بخشد تا از بدن ربات مانند پاها پشتیبانی کند. حرکات ترکیبی پیشنهادی مزایای خزیدن و راه رفتن را ترکیب می کند و بنابراین ، تحرک ربات به طرز چشمگیری بهبود می یابد. علاوه بر این ، بازو می تواند محیط زیست را ایجاد کند ، بنابراین می توان اطلاعات زمینی ساده اما لازم برای حرکت را تخمین زد ، مانند ارتفاع مانع و زاویه شیب زمین ، مانند اینکه انسان چیزی را در تاریکی (وضعیت نامرئی) قرار می دهد.

در اینجا ، دو موضوع فنی اساسی وجود دارد که برای تحقق روش ترکیب ترکیب حل می شود. مسئله اول ادغام استراتژی های کنترل ربات پا و ربات فلیپر-کرولر است که با یکدیگر کاملاً متفاوت هستند. مورد دوم تهیه روشی برای کشف شرایط زمینی لازم تنها با استفاده از چند اطلاعات سنسورهای بینایی است. سنسورهای دامنه لیزر برای به دست آوردن اطلاعات زمین و موقعیت ربات مفید هستند ، که به آن سیستم محلی سازی و نقشه برداری همزمان (SLAM) گفته می شود [12،13،14]. سیستمهای SLAM می توانند رابطه موقعیتی و ساده ای خلفی بین کل ربات (بدنه ربات) و محیط را توصیف کنند. اما توصیف رابطه بین محیط و هر قسمت از ربات ، مانند وضعیت تماس ARM دشوار است. علاوه بر این ، در شرایط شدید مانند مه و تابش شدید ، چنین سنسورها نمی توانند به درستی کار کنند ، همانطور که در بالا گفته شد. هدف از این مطالعه ایجاد یک روش جدید تحرک است که ترکیبی از حرکت خزنده با استفاده از خزنده ها و حرکت پیاده روی با استفاده از بازوها ، برای روبات های پاسخ به فاجعه چند بازو چند بازو است.

این مقاله به روش زیر ساختار یافته است: بخش "طبقه بندی حالت های حرکتی" حالت های اصلی تحرک برای روبات های چند بازوی چند کرولر را توضیح می دهد. بخش "مزایای CLM" الزامات و کارکردهای اصلی CLM را شرح می دهد و بخش "الزامات CLM" CLM و سیستم کنترل را با جزئیات توضیح می دهد. بخش "طراحی سیستم کنترل برای CLM" سپس آزمایش ها و تنظیمات ما را توصیف می کند. بخش "تنظیم آزمایشی" نتایج و تجزیه و تحلیل تجربی را توضیح می دهد. بخش "نتایج و بحث" در مورد مشکلات و نقاط بهبود در CLM بحث می کند. بخش "نتیجه گیری و آثار آینده" یافته های ما را خلاصه می کند و در مورد آثار آینده ما بحث می کند.

طبقه بندی حالتهای حرکتی

روبات های چند بازوی چند باز می توانند انعطاف پذیری را برای حالت حرکتی فراهم کنند. با توجه به وضعیت زمین و روابط مشترک بین بازوها و خزنده ها ، ما می توانیم چندین حالت حرکتی را تعریف کنیم ، یعنی خزیدن خزنده (CCM) ، راه رفتن بازو (AWM) و حالت حرکات مرکب (CLM) ، همانطور که در شکل 2 A-C نشان داده شده است. واد