Сферический четвероногий робот

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Сферический четвероногий робот

Стройкова С.Н. 1
1МАОУ "Лицей №38"
Еделев А.Ю. 1
1МАОУ "Лицей №38"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность

Современный мир все активнее использует роботов для автоматизации и повышения эффективности различных процессов. Особый интерес представляют роботы, сочетающие в себе несколько способов передвижения, что открывает новые возможности:

  1. Автономность и экономичность: Роботы способны работать длительное время, экономно расходуя энергию при движении по ровным поверхностям.

  2. Универсальная логистика: На складах и производствах они могут быстро перемещаться перекатыванием, а для доступа к нижним полкам или преодоления препятствий использовать ноги.

  3. Энергосбережение: Основная часть энергии тратится на шагающий режим, что позволяет использовать менее мощные и дорогие аккумуляторы.

  4. Надежность: Сферическая конструкция защищает ключевые компоненты от повреждений, снижая затраты на ремонт.

  5. Стабильность: В неподвижном состоянии или при медленном движении по неровностям робот может опираться на корпус, обеспечивая высокую устойчивость для точного мониторинга.

  6. Гибкость передвижения (мультимодальность): Это главное преимущество. Робот адаптируется к условиям, выбирая оптимальный способ:

    • Качение: для быстрого перемещения по твердым поверхностям.

    • Шагание: для преодоления лестниц, бордюров и сложных рельефов.

    • Комбинированные режимы: например, для движения по сыпучим поверхностям.

  1. Разведка и наблюдение: Тихий и незаметный в режиме качения, робот может быстро приблизиться к цели, развернуться и занять выгодную позицию для наблюдения.

  2. Доставка в труднодоступные зоны: Робот может доставлять медикаменты и грузы туда, куда не проедет обычная техника.

  3. Саперные работы: Способен безопасно приблизиться к подозрительным объектам и провести их осмотр с помощью скрытых манипуляторов. Сферическая форма также обеспечивает устойчивость к взрывам и опрокидыванию.
    Актуальность проекта сферического четвероногого робота крайне высока. Он решает ключевую проблему робототехники — компромисс между скоростью и эффективностью на поверхности. Такой робот обладает потенциалом для применения в самых разных сферах — от логистики и инспекции до исследований и обороны, представляя собой новый, гибридный класс автономных мобильных платформ.

Цели

Создать сферического четвероногого робота, изучить специфику его движений.

Задачи

  1. Изучить историю создания сферических четвероногих роботов

  2. Изучить структуру и механику робота

  3. Сконструировать сферического четвероногого робота

  1. Глава 1. Изучение сферических четвероногих роботов

  2. 1.1.Эволюция четвероногих роботов

История создания четвероногих роботов – это захватывающая летопись преодоления трудностей и достижения новых рубежей в робототехнике. От первых, зачастую несовершенных, конструкций до современных коммерческих решений, этот путь наглядно демонстрирует, как смелые инженерные идеи, пройдя через множество испытаний, превращаются в реальные, работающие механизмы.

1. Конец 1960-х годов: провозвестник эры — «Phony Pony» (Калифорния)

На заре развития робототехники, в конце 1960-х, в Калифорнии был создан прототип под названием «Phony Pony» («Поддельный Пони»). Несмотря на свой примитивный по современным меркам вид, этот аппарат являлся концептуальным прорывом. В его конструкции впервые были интегрированы фундаментальные элементы, ставшие впоследствии классическими для всего класса четвероногих машин: система опор с суставными сочленениями, имитирующими конечности, элементарные датчики для мониторинга перемещения, электромеханические приводы и примитивная, но автономная программа управления. Хотя «Phony Pony» был сугубо исследовательским проектом и не имел практического применения, его историческая роль заключается в том, что он заложил философский и технический фундамент, пробудив научный интерес к самой возможности создания устойчивых и подвижных роботизированных платформ.

2. Конец 1990-х годов: технология в поисках эмоций — AIBO от Sony

Следующей знаковой вехой, отделенной от «Phony Pony» почти тремя десятилетиями, стал робот AIBO (сокращение от AI roBOt), анонсированный корпорацией Sony в конце 1990-х. Это был принципиально иной подход: инженерная мысль обратилась от сухих лабораторных задач к сфере человеческих эмоций и развлечений. AIBO позиционировался как компаньон — цифровой питомец, способный распознавать голосовые команды, выполнять трюки вроде «дай лапу», активно играть и демонстрировать элементы поведенческого искусственного интеллекта. Под его футуристическим корпусом скрывалась сложнейшая для своего времени начинка: продвинутые алгоритмы машинного обучения и целый комплекс интегрированных сенсоров, позволявших роботу взаимодействовать с окружающей средой. AIBO доказал, что четвероногая робототехника может быть не просто утилитарной, но и эмоционально привлекательной, открыв дорогу коммерциализации направления.

3. 2005 год: рождение силового кибернетического мула — BigDog от Boston Dynamics

Качественный скачок в развитии произошел в 2005 году с появлением робота BigDog, созданного инженерами Boston Dynamics при стратегической поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA). Если AIBO был изящным компаньоном, то BigDog стал настоящим «кибернетическим мулом». Его целевое назначение было сугубо утилитарным — автономная транспортировка значительных грузов в условиях сложного пересеченного рельефа, недоступного для колесной техники. Конструкция робота, оснащенного гидравлической системой приводов, демонстрировала феноменальные для того времени возможности: передвижение со скоростью до 6,4 км/ч, преодоление крутых подъемов под углом до 35° и перенос полезного груза массой до 150 кг. BigDog на практике подтвердил, что динамическая стабилизация и адаптивное поведение четвероногих роботов возможны в экстремальных условиях.

4. 2016 год: коммерциализация и выход в реальный сектор — Spot и ANYmal

Наконец, в 2016 году эволюция четвероногих роботов достигла логического завершения своего первого большого цикла — перехода от военных и исследовательских прототипов к серийным коммерческим продуктам. На рынок практически одновременно вышли две знаковые модели: Spot от Boston Dynamics (более компактный и маневренный наследник технологий BigDog) и ANYmal от швейцарской компании ANYbotics. Эти роботы были созданы уже не как демонстраторы технологий, а как готовые инструменты для бизнеса. Они нашли применение в самых разных отраслях: от инспекции промышленных объектов и нефтегазовых платформ до работы в зонах чрезвычайных ситуаций и логистики. Их появление символизировало окончательное «взросление» технологии, превращение ее из предмета научной фантастики в надежного и эффективного помощника человека.

  1. 1.2. Структура и механика

1. Общая концепция и архитектура

Сферический четвероногий робот – это гибрид, объединяющий сферическую форму с шагающими конечностями. Он может быстро перемещаться, перекатываясь как шар, что удобно для преодоления препятствий, и при этом обладает устойчивостью и точностью шагающих роботов на неровных поверхностях. Его конструкция состоит из:

  • Внешняя оболочка: Сферический корпус, который позволяет роботу катиться без проскальзывания.

  • Четыре ноги: Спрятаны внутри сферы и могут выдвигаться наружу. Они имеют много степеней свободы и не мешают катиться, когда сложены.

  • Система управления: Внутренние моторы и приводы управляют ногами, смещая центр тяжести робота, чтобы он мог двигаться.

Принцип движения основан на смещении центра масс, которое достигается скоординированными движениями конечностей внутри сферы.

2. Механизмы передвижения.

Робот может работать в двух принципиально различных режимах, обеспечивая универсальность.

Режим 1: Качение

Основной режим для быстрого передвижения по ровным поверхностям, включая наклонные плоскости.

Принцип: Смещение центра масс от геометрического центра заставляет сферу катиться. В четвероногом роботе этот эффект достигается перестановкой конечностей.

Механизм: Робот выдвигает две конечности в одном направлении, смещая центр масс и создавая вращающий момент. Конечности быстро возвращаются в исходное положение, и цикл повторяется. Для движения по наклонной плоскости необходима постоянная компенсация силы тяжести.

Управление и устойчивость: Алгоритмы управления, разработанные для маятниковых сферороботов, могут быть адаптированы. Устойчивое движение возможно только при определенных условиях (угол наклона, скорость "вращения" внутренних масс).

Режим 2: Ходьба

Режим активируется на сложном рельефе.

Принцип: Робот останавливается, фиксируется конечностями и использует их для пошагового перемещения. Сфера выполняет роль защитного корпуса и опорной рамы.

Механизм: Конечности с захватами поочередно отталкиваются от поверхности.

3. Интеграция режимов и преимущества

Основное преимущество — мгновенное переключение между режимами.

Подъем по склону: Качение по пологому склону, переход в шагающий режим на крутом подъеме.

Преодоление препятствий: Остановка и "перешагивание" через препятствия.

Энергоэффективность: Перекатывание для больших расстояний, шагание на сложных участках.

Сферический четвероногий робот — это синтез двух подходов в робототехнике. От сферических роботов он берет управление движением через смещение центра масс и анализ устойчивости на наклонных плоскостях. От шагающих роботов — точность и адаптивность к сложному рельефу.

  1. 1.3. Составные части

  2. 1. Основной корпус (Сфера)

Это центральный и определяющий элемент конструкции.

Функция: Защита внутренних компонентов, аэродинамическая (в данном случае — "сферодинамическая") форма для преодоления препятствий перекатыванием, основная несущая структура.

Конструкция:

  • Оболочка: Обычно состоит из двух полусфер, изготовленных из прочного и легкого материала (углепластик, алюминиевый сплав, ударопрочный пластик).

  • "Люк" или сегменты: Может иметь открывающиеся сегменты для доступа к "внутренностям", которые в закрытом состоянии сохраняют идеальную геометрию сферы.

  • Прозрачность: Часть оболочки может быть прозрачной (например, из поликарбоната) для размещения камер или лидара

2. Ходовая часть (Кинематическая система ног)

Самая сложная и инновационная часть, которая трансформирует робота из шара в шагающее существо.

Функция: Обеспечение движения по двум основным режимам: **шагание** для сложного рельефа и точных маневров, и **перекатывание** для высокой скорости по относительно ровной поверхности.

Конструкция ног:

  • Количество: Как правило, 4 ноги, расположенные симметрично.

  • Сочленения: Каждая нога имеет минимум 2-3 степени свободы (сустава), управляемых сервоприводами или мотор-редукторами. Это позволяет ноге не только шагать, но и складываться в компактное положение.

  • Складывание: В убранном положении ноги полностью "втягиваются" в корпус, не нарушая сферическую форму. Это ключевое инженерное решение.

  • Стопы/Кисти: Могут быть оснащены амортизирующими накладками, захватами или шипами для улучшения сцепления с различными поверхностями.

3. Движитель для режима качения.

Отдельный механизм, отвечающий за вращение сферы изнутри.

Функция: Приведение сферы в движение перекатыванием, когда ноги убраны.

Принцип действия (наиболее распространенный):

  • Смещение центра масс: Внутри сферы на направляющих устанавливается массивный груз (например, аккумуляторная батарея или специальный балансировочный механизм). С помощью моторов этот груз смещается вперед/назад или в стороны, заставляя сферу катиться в нужном направлении по принципу хомяка в шаре.

  • Альтернативный способ: Система маховиков или реактивных двигателей (менее распространено).

4. Система управления и "мозг":

  • Центральный процессор (CPU/GPU): Выполняет сложные вычисления для планирования пути, балансировки и координации движений.

  • Микроконтроллеры: Отвечают за непосредственное управление моторами ног и движителя качения, получая команды от главного процессора.

  • ПО и алгоритмы:

Включает в себя обратную кинематику (для точного позиционирования ног в пространстве), SLAM (для навигации и построения карты окружающей среды), алгоритмы балансировки и походки (для устойчивого движения в режиме ходьбы), диспетчер режимов (для плавного перехода между "ходьбой" и "качением").

5. Сенсорная система:

  • Камеры: Обзорные (панорамные) и стереокамеры для компьютерного зрения и навигации. Часто устанавливаются на "верхушке" сферы или на поворотном механизме внутри.

  • Лидар (LiDAR): Для создания точной 3D-карты окружения и измерения расстояний.

  • Инерциальный измерительный блок (IMU): Гироскопы и акселерометры, критически важные для определения ориентации робота в пространстве как в режиме ходьбы, так и в режиме качения.

  • Энкодеры: На каждом суставе ног для точного знания их угла положения.

  • Тактильные датчики: На "стопах" для определения контакта с поверхностью.

  • Ультразвуковые или инфракрасные датчики: Для обнаружения близко расположенных препятствий.

6. Энергетическая система:

  • Аккумулятор: Компактная, но емкая батарея (чаще всего литий-полимерная или литий-ионная), расположенная в нижней части робота. Ее смещение часто используется как часть механизма качения.

  • Система распределения питания: Преобразует и распределяет энергию ко всем двигателям и электронике.

7. Коммуникационные модули:

Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G: Для дистанционного управления, получения команд и передачи данных (например, видеопотока) на пульт оператора или в облако.

Преимущества такой конструкции:

1. Сложный рельеф (например, груда камней): Робот использует режим ходьбы. Ноги выдвигаются, обеспечивая высокую проходимость и устойчивость, преодолевая препятствия шаг за шагом.

2. Ровная поверхность (например, коридор или поле): Робот переходит в режим качения. Ноги складываются, и внутренний движитель разгоняет сферу. Это гораздо более быстрый и энергоэффективный способ передвижения.

  1. 1.4. Изучение движений

1. Перекатывание (Главный метод передвижения).

Это наиболее производительный способ перемещаться на длинные дистанции по ровной или с небольшим уклоном поверхности. Робот применяет ноги не для ходьбы, а как внутренний механизм, приводящий в движение вращение сферы.

- Вращение по горизонтальной оси: Ноги работают как беговое колесо внутри сферы, создавая вращающий момент, который заставляет сферу катиться вперёд или назад.

- Вращение по вертикальной оси (поворот на месте): Ноги на одной стороне двигаются вперёд, на противоположной — назад, позволяя сфере поворачиваться вокруг собственной оси и менять направление.

- Движение по дуге: Меняя скорость и направление работы разных пар ног, робот может плавно катиться по кривой без остановок.

2. Шагающая походка (Для сложных поверхностей).

Для точности, устойчивости и преодоления препятствий робот фиксирует сферу и передвигается с помощью ног.

  • Медленные походки (для устойчивости):

- Три ноги всегда на земле (Crawl) — максимальная устойчивость, но медленное движение.

- Иноходь (Pace) — пара ног с одной стороны двигается одновременно, скорость выше, но стабильность ниже.

  • Быстрые походки (для скорости):

- Рысь (Trot) — движение диагональных пар ног, сбалансированное и энергоэффективное на средней скорости.

-Галоп (Gallop) — почти одновременное отталкивание всех ног, достигается максимальная скорость, но с увеличенным энергопотреблением и сложностью управления.

3. Специализированные и комбинированные движения.

Это уникальные режимы, когда робот использует возможности как катиться, так и ходить.

- Перекат с опорой (Rolling Walk): сфера неполностью зафиксирована, используется совместно с шагами для плавного и эффективного перемещения по неровностям.

- Прыжок: резкое отталкивание ногами от внутренней поверхности сферы для преодоления препятствий.

- Подъём по склону или лестнице: сочетание перекатывания для набора скорости и цепкого шага для подъёма, с использованием специальных накладок на ногах.

- Самовосстановление (Recovery): если робот упал или неустойчив, ноги помогают вернуть его в правильное положение или развернуть.

- Заякоренный режим: сфера фиксируется, ноги упираются в землю, превращая устройство в устойчивую базу для манипуляций или съёмки.

4. Изменение геометрии.

Робот регулирует положение центра масс внутри сферы для более точного контроля.

- Смещение центра тяжести: вытягивание или втягивание ног наклоняет сферу, облегчая движение в нужном направлении или компенсируя крен.

- Сворачивание для защиты: полное втягивание ног в случае падения или удара защищает внутренние механизмы.

  1. Глава 2. Сборка сферического четвероногого робота

  2. 2.1. Печать деталей на 3d принтере

Для печати готовой модели нами была выбрана программа Cura 3D

  • Программа Cura 3D

Cura 3D — это программа-слайсер для 3D-принтеров (рис. 10), которая берет 3D-модельинарезаетее(slice)наслои,чтобыполучитьфайл,известныйкакG-Code, в котором содержатся коды, которые понимает 3D-принтер.

3D-модельмыпечаталинапринтере Tevo Tornado, GeetechA10M,так каконобладаетрядом преимуществ.

Выборпластика.Дляпечатимывыбралипластикmate PLA Rainbow так как это самыйдоступный вид пластика.

Полученные детали :

  1. 2.2. Электронные комплектующие

1. Arduino Nano – это миниатюрная плата , построенная вокруг микроконтроллера. Ее ключевые компоненты включают:

  • Микроконтроллер: ядро платы, выполняющее все вычисления и координирующее работу всех остальных элементов.

  • Различные типы памяти:

    • Flash-память: предназначена для загрузки и хранения вашей программы.

    • Оперативная память (RAM): используется для временного хранения данных, необходимых в процессе выполнения программы.

    • Энергонезависимая память: позволяет сохранять важные настройки и данные, которые не должны теряться при отключении питания.

  • Порты ввода/вывода: набор цифровых пинов, предоставляющих возможность подключения разнообразных периферийных устройств, например, датчиков или кнопок.

  • USB-интерфейс: служит для загрузки программ и обмена данными с компьютером.

  • Системные компоненты:

    • Регулятор напряжения: обеспечивает стабильное питание для надежной работы микроконтроллера.

    • Кварцевый генератор: устанавливает тактовую частоту, определяющую скорость выполнения операций.

    • Индикаторы состояния: светодиоды, сигнализирующие о работе платы.

    • Фильтрующие элементы: конденсаторы и резисторы, используемые для очистки и стабилизации сигналов.

 

2. Сервопривод MG90S Micro Servo — это сервопривод с металлическими шестернями. Он относится к классу микро-сервомашинок и предназначен для позиционирования. Это означает, что он может поворачивать свой выходной вал на заданный угол (обычно от 0° до 180°) и удерживать его.

Ключевая особенность: В отличие от своего "брата" MG90, у MG90S шестерни сделаны из металла (обычно латунь и сталь), что делает его более надежным и износостойким, особенно при нагрузках и возможных заклиниваниях.

Он преобразует электрический сигнал в точное угловое перемещение. Основные функции:

  • Точное позиционирование: Поворот на строго заданный угол. Это основа для:

    • Управления рулями, элевонами в авиамоделях.

    • Поворота камер, датчиков, «конечностей» роботов.

    • Приведения в движение механизмов (захваты, манипуляторы, шасси для поворота).

  • Удержание позиции: После получения команды сервопривод будет сопротивляться внешней силе, пытаясь удержать вал на месте (в пределах своих крутящего момента и прочности).

Внутри пластикового корпуса скрывается несколько ключевых компонентов:

  • Электродвигатель постоянного тока (ДПТ)

  • Редуктор из металических шестерен

  • Потенциометр (переменный резистор)

  • Управляющая плата (контроллер)

  • Выходной вал (шпилька)

  • Разъем питания и управления (3 провода)

3. Модуль драйвера PCA9685 - это 16-канальный ШИМ-контроллер, работающий по шине I2C. Его основная задача — генерировать точные ШИМ-сигналы для независимого управления 16 сервоприводами или светодиодами, используя лишь 2 сигнальных провода от микроконтроллера (плюс питание). Это мост между "мозгом" проекта (Arduino) и "мускулами" (сервоприводами).

Ключевая особенность: Он снимает нагрузку с микроконтроллера, беря на себя всю тяжелую работу по генерации стабильных ШИМ-сигналов, и позволяет управлять множеством устройств при минимальном количестве задействованных пинов.

Функции:

  1. Генерация ШИМ-сигналов: Создает на своих 16 выходах (каналах) сигналы, идеально подходящие для стандартных сервоприводов (частота ~50 Гц, ШИМ от 0.5 мс до 2.5 мс).

  2. Мультиплексирование управляющих сигналов: Позволяет управлять 16 устройствами с помощью всего 2 проводов данных (SDA, SCL) благодаря протоколу I2C.

  3. Разгрузка центрального процессора: Микроконтроллеру не нужно программно создавать ШИМ на многих пинах, что экономит его вычислительные ресурсы.

  4. Синхронное управление: Все 16 каналов обновляются одновременно по одной команде от микроконтроллера, что исключает "дергание" сервоприводов при пошаговом обновлении.

  5. Работа со светодиодами: Может использоваться для плавного управления яркостью 16 светодиодов или RGB-лент (как три независимых канала на цвет).

Из чего состоит:

A) Внутренняя структура микросхемы PCA9685:

  • Ядро ШИМ-контроллера: Генерирует базовый сигнал с высокой точностью (12-битное разрешение, 4096 шагов).

  • Блок коммутации и буферизации: Направляет ШИМ-сигнал на выбранный выходной канал.

  • I2C-интерфейс: Принимает команды и данные от микроконтроллера.

  • Встроенный тактовый генератор (25 МГц): Обеспечивает стабильную работу. Может быть заменен внешним осциллятором для повышенной точности.

  • Регистры настроек: Хранят состояние каждого канала (значения ON и OFF), частоту ШИМ и другие параметры.

B) Стандартный модуль (планка) включает:

  1. Микросхема PCA9685: "Сердце" модуля.

  2. Стабилизатор напряжения (LDO), обычно на 5V/3.3V: Позволяет запитать модуль от широкого диапазона напряжений (часто 5-12V) и обеспечивает стабильное питание для логики микросхемы.

  3. Входной разъем питания (VCC, GND, V+):

    • VCC: Питание логики микросхемы (обычно 3.3В или 5В).

    • GND: Общая земля.

    • V+ (или "Servo VCC"): Отдельная линия для питания самих сервоприводов. 

  4. 16 выходных 3-пиновых разъемов: Каждый имеет свою тройку: PWM (сигнал), V+ (питание сервопривода), GND (земля). К ним подключаются сервоприводы.

  5. I2C-разъем (4 пина): VCC, GND, SDA (данные), SCL (тактовый сигнал). Сюда подключается микроконтроллер.

  6. Перемычки для выбора адреса I2C (A0-A5): Позволяют подключить до 62 таких модулей к одной шине I2C, устанавливая для каждого уникальный адрес (6 бит адресации).

  7. Разъем для внешнего осциллятора (не всегда запаян): Для точных временных задач.

 

  1. 2.3. Сборка робота

  2. Пришло время собирать робота. Далее рассмотрим этапы сборки робота.

  3. Этапы сборки:

  1. Монтаж сервоприводов в звенья конечностей.

  2. Установка конечностей в пазы корпуса.

  3. Крепление внутреннего каркаса с электроникой.

  4. Подключение всех электронных компонентов согласно схеме.

  5. Установка аккумулятора и проверка балансировки.

  6. Закрытие корпуса и финальная регулировка.

  1. Заключение

Мы успешно завершили проект по созданию и исследованию инновационной робототехнической платформы – сферического четвероногого робота. В ходе работы мы:

  1. Разработали детальную модель робота.

  2. Спроектировали и изготовили уникальную механическую конструкцию, где каркас одновременно защищает и служит опорой для ног.

  3. Создали и внедрили микроконтроллерную систему управления, обеспечивающую слаженность движений.

  4. Провели практические испытания, которые подтвердили устойчивость робота и его способность преодолевать различные препятствия.

Ключевые результаты проекта:

  • Доказана высокая эффективность гибридного передвижения: качение обеспечивает скорость и экономичность на ровных поверхностях, а ходьба – отличную проходимость.

  • Выявлена новая функция сферического корпуса – он не просто оболочка, а активный элемент, расширяющий возможности управления.

Дальнейшее развитие проекта включает: интеграцию систем технического зрения для автономной навигации, применение лёгких и прочных композитных материалов, совершенствование алгоритмов управления с использованием машинного обучения для адаптации к сложным условиям, а также оснащение робота манипулятором для выполнения простых задач. Таким образом, мы достигли поставленной цели, создав функционирующий прототип, демонстрирующий большой потенциал концепции сферического четвероногого робота.

  1. Список литературы

  2. 1. Доклады Академии наук, 2018, том 481, № 3, с. 258–263Статья «Управляемое движение сферического робота маятникового типа на наклонной плоскости»

  3. 2. https://www.instructables.com/Spherical-Quadruped-Arduino-Robot/

  4. 3. https://vc.ru/three_logic_group/2621985-robosobaki-osobennosti-i-evolyutsiya-chetyrevonogikh-robotov

Просмотров работы: 0