Цели и задачи проекта

• Изучение методов проектирования шагающих роботов
• Изучение методов управления локомоцией шагающих машин
• Изучение методов управления бесколлекторными электродвигателями
• Оптимизация энергопотребления шагающего робота
• Изучение шагающего робота с точки зрения использования в образовательной и исследовательской деятельности
• Анализ прикладных видов использования четырехногих шагающих роботов

Процесс исследования

Разработка шагающих машин и их внедрение в реальную жизнь является серьезным вызовом с точки зрения создания систем управления локомоцией. Исследования на эту тему с использованием автоматических систем управления начались еще в 70-х годах XX века. Но в последнее десятилетие наблюдается большой скачок в развитии шагающей робототехники. Прежде всего это обусловлено возросшей вычислительной мощностью компьютерных систем, а также разработкой новых алгоритмов управления и методов оптимизации.

В процессе создания шагающего робота учитывалась необходимость его применения в исследовательских и образовательных целях. Для этого, по возможности использовались недорогие компоненты, доступные на потребительском рынке, а габариты робота решено было уменьшить, чтобы он мог поместиться на рабочем столе. Конструкцию и электронику было решено сделать таким образом, чтобы к роботу можно было подключать дополнительное экстероцептивное оборудование (видеокамеры, лидары, дальномеры и т.д.) без существенных трудозатрат. Поэтому в качестве БЭВМ используется процессор на базе самой популярной архитектуре x86, а для подключения к нему можно использовать интерфейсы USB, CAN, Wi-Fi и Bluetooth.

Ноги робота имеют двухзвенную схему с тремя степенями свободы, при этом коленное сочленение имеет возможность вращения на 360°. Приводы имеют бесколлекторные электромоторы с планетарными редукторами, имеющими низкое передаточное число. Это обусловлено желанием увеличить механическую надежность, а также дать возможность использования стратегий управления, основанных на крутящем моменте.

На текущий момент имеется большое количество алгоритмов управления шагающими роботами. Наиболее популярными из них являются Model Predictive Control, ZMP Preview Control, Central Pattern Generators, Virtual Model Control, обучение с подкреплением и эволюционные стратегии. По используемой модели алгоритмы можно разделить на три группы: безмодельные, алгоритмы с полной моделью и алгоритмы с частичной моделью. Из рассмотренных алгоритмов, в качестве базового для текущей версии робота был выбран ZMP Preview Control. Устойчивость в данном методе достигается при помощи представления модели робота в качестве обратного маятника. Благодаря этому имеется возможность использования линейно-квадратичного регулятора. При этом, его главной отличительной особенностью является то, что он просчитывает будущие состояния робота в процессе движения и выбирает оптимальную траекторию движения центра масс корпуса, когда ноги находятся в состоянии опоры.

Результаты проекта

Разработана вторая версия четырехногого шагающего робота на бесколлекторных электродвигателях. Разработана вся управляющая электроника. Проведено исследование алгоритмов управления. Реализованы следующие алгоритмы движения:

• генератор походки на базе CPG для походок рысь, галоп, иноходь и поочередная

• ZMP Preview Control на примере походки рысью

Создана имитационная модель робота для сред Gazebo и PyBullet, совместимая с OpenAi Gym. На данной модели были протестированы вышеперечисленные алгоритмы перед отработкой на аппаратной платформе, а также метод управления на базе обучения с подкреплением.