Dört ayaklı biyonik robotların araştırmasına genel bakış
Dağ dört ayaklı biyonik insansız platform, çok çeşitli uygulama gereksinimlerine sahiptir. Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve diğer ülkeler ilgili teknik araştırmalar yaptı. Çin'deki yaklaşık on araştırma kurumu, dört ayaklı biyonik insansız platformlar üzerinde araştırma yaptı.
Dağ dört ayaklı biyonik insansız platform, son derece engebeli ve karmaşık yüzey ortamlarında yürümenin gereksinimlerini karşılayan, tipik mobil ve akıllı özelliklere sahip, askeri ve sivil alanlarda çok çeşitli uygulama gereksinimlerine sahip otonom bir robottur. Dünyada 20'den fazla ülke ilgili araştırmalar gerçekleştirdi.Bunlar arasında, Amerika Birleşik Devletleri'nin Boston Dynamics tarafından geliştirilen BIGDOG dört ayaklı biyonik robot, kar ve buz gibi karmaşık yollarda dengeli bir yürüyüş gerçekleştirdi ve dış dünyadan etkilendikten sonra istikrarı bağımsız olarak koruyabilir. Geliştirilen dört ayaklı biyonik robot, orta kalibreli silahlarla donatılmıştır ve karmaşık çevre operasyonlarına katılabilmektedir.Almanya, İtalya, Güney Kore gibi ülkeler ve diğer ülkeler de ilgili teknik araştırmalar yapmışlardır. Çin'de toplam yaklaşık on araştırma kurumu, dört ayaklı biyonik insansız platformlar üzerinde araştırma yaptı. Eylül 2016'da ordu, Çin Kuzey Araç Araştırma Enstitüsü, Shandong Üniversitesi, Harbin tarafından düzenlenen "Over Dangers 2016" Yer İnsansız Sistem Yarışması'nda araştırma yaptı. Teknoloji Üniversitesi tarafından geliştirilen yerli dört ayaklı biyonik platform, biyonik insansız platform grubunun yarışmasına katılarak tüm taraflardan geniş ilgi gördü.
Bu makalede, "Tehlikelerin Üstesinden Gelmek 2016" Yer İnsansız Sistem Yarışmasındaki biyonik grup yarışmasının durumu ile birleştirildiğinde, dağda dört ayaklı biyonik insansız platformun işlevsel özelliklerini ve ana teknik yaklaşımlarını kapsamlı bir şekilde tanıtın ve gelecekteki uygulama beklentilerini ve kullanıcıların genel olarak ilgilendiği gürültü ve güvenilirliği hedefleyin. Ve diğer konular tartışıldı.
01. Dört ayaklı biyonik robotların talep analizi
(1) Askeri alanda talep
Dağlar ve platolar gibi aşırı alanların muhafazası, kontrolü ve korunması, tüm hava koşullarında ve tüm bölgesel operasyonlar için önemli bir gerekliliktir. Ulaşım ve beraberindeki koşullar üzerindeki kısıtlamalar nedeniyle, geleneksel muharebe teçhizatı üzerindeki bazı ulaşılması zor alanlar, iki tarafın rekabet edebilmesinin anahtarı haline geldi.Ancak, verimli ulaşım araçlarının yokluğunda, sırtlarında askerlerin veya katır ve atların kullanılması askerlere aşırı faydalar sağlamıştır. Büyük yük.
Geleneksel araç çalıştırma mekanizmalarının iki temel biçimi vardır: tekerlekli ve paletli Bununla birlikte, yaklaşık yüz yıllık çabaların ardından piyasaya sürülmelerinden bu yana, tekerlekli veya paletli araçların yumuşak ve dik arazideki performansı temelde iyileştirilmemiştir. . Doğadaki dört ayaklı hayvanlar (köpekler, atlar, koyunlar, kaplanlar, leoparlar vb.) Karmaşık araziye uyum sağlamada çok daha iyidir.
Ayrıca dağ, yayla veya muharebe ortamında katırı bir ulaşım ve ikmal aracı olarak kullanmanın da birçok zorluğu vardır.Hayvanların yetiştirilmesi gerektiğinden, bazen insanlar gibi irtifa hastalığından muzdarip olurlar ve savaşla karşılaştıklarında paniğe kapılırlar hatta zorlaşırlar. ehlileştirmek. Bu nedenle, savaşta işbirliği yapmak için dürüst katırlar ve askerler yerine dört ayaklı biyonik robotların kullanılması, dağ ve yayla operasyonlarını çözmek için uygun bir yol haline geldi.
(2) Sivil alan
Teknik zorluk ve geliştirme maliyeti kısıtlamaları nedeniyle şu anda sivil kullanım için geliştirilmiş dört ayaklı biyonik robot bulunmamaktadır.Ancak, teknolojinin kademeli olgunlaşmasıyla birlikte dört ayaklı biyonik robotlar, karmaşık arazi taşımacılığı, özel çevresel bilimsel araştırmalar, kurtarma ve afet yardımı gibi görevleri tamamlamada insanların yerini alabilmektedir. Yangınla kurtarma ve diğer görevler.
02. Teknik temel ve araştırma ilerlemesi
Çin'deki dört ayaklı biyonik robotlar "Dokuzuncu Beş Yıllık Plan" döneminde başladı.Yaklaşık 10 araştırma kurumu uzun vadeli temel teorik araştırmalar gerçekleştirdi ve prototipler geliştirdi. Son yıllarda, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı'nın 863 uzman grubu ve Ordu Teçhizatı Dairesi, dört ayaklı biyonik robotlar için yerel araştırma ilerlemesini kapsamlı bir şekilde test ederek art arda performans testleri veya yarışmalar düzenledi.
Çin Kuzey Araç Araştırma Enstitüsü (Ordnance Ground Unmanned Platform Ar-Ge Merkezi) 2011 yılında dağda dört ayaklı biyonik robotlar üzerinde araştırmalara başladı ve ana araştırma ve geliştirme süreci şu şekilde:
2011: Dağda dört ayaklı biyonik robotların gösterimi ve proje onayı;
2012: Dört serbestlik derecesine sahip bir biyonik bacak geliştirildi ve tamamlandı
Pozisyon kapalı döngü kontrolü ve tek bacağın kapalı döngü kontrolü;
2013: İlk tam dört ayaklı biyonik makineyi geliştirdi
İnsan prototipi, kapalı platform kaplamasında temel yürüyüş yürüyüşünü gerçekleştirir;
2014: Çeşitli iç mekan yürüyüşlerinin istikrarlı kontrolünü gerçekleştirin;
2015: Açık hava doğal ortamında yürüyüşün farkına varın;
2016: Karmaşık ortamlarda dengeli yürüyüş yapın.
(1) Devirmeyin veya eğmeyin
Boston Dynamics sanal bacak ters çevrilmiş sarkaç-kuvvet geribildirim kontrol teorisini icat etti. Sanal bacak teorisi, kontrol zorluğunu etkili bir şekilde basitleştirir. Ters sarkaç modeli, robotun ayak noktasının kararlı kontrolü için kullanılır. Kuvvet geri bildirim kontrolü, dört bacağın destek kuvvetini makul bir şekilde dağıtarak robotu daha stabil hale getirir. Ancak ters sarkaç-kuvvet geri bildirim modelinin teknik zorluğu, ayak ve yer arasındaki kuvvet dağılım modelinde yatmaktadır:
(1) Geleneksel teoriler genellikle istikrar sorunlarını ağırlık merkezine ve tutum değişikliğine dayalı olarak ele alır;
(2) Kuvvetler etkileşir, ayaklar yerle ve yerle etkileşir
Yüzey çok fazlı ve ayrıktır ve doğru bir kontrol modeli elde etmek zordur.
1. Üç elemanlı ters sarkaç hareket kontrolü
Dört ayaklı biyonik robotun yükseklik, hız ve duruş gibi üç hareket elemanının kontrolü çok önemlidir. Bunlar arasında, yükseklik kontrolü, gövdenin sabit bir yüksekliğini korurken, robotun farklı yüklere ve farklı arazilere uyum sağlamasını kontrol etmektir; hız kontrolü, döner bacağın ayak noktasının konumu ile gövdenin ileri hızını kontrol etmektir; tutum kontrolü, destek ayağının kuvvetini kontrol etmektir. Ardından, gövdenin duruşunu stabilize etmek için gövdenin kütle merkezindeki torku ayarlayın.
2. Ayağın ucu ile zemin arasında geribildirim uyumlu kontrolü zorlayın (önceki sayfada Resim 7)
Orta elastik elemanın tamponlanması nedeniyle, çarpışma bir süre devam edecek ve çarpışma sırasındaki kuvvet değişmeye devam edecek; ayak robotunun ayak ucu ile çevresindeki ortam arasındaki çarpışma, ayak ucu ile çevresindeki ortam arasındaki elastik çarpışma sürecini gerçekleştirmek için elastik bir çarpışma olarak kabul edilebilir. Ortada çarpışma kuvveti kontrolü, ardından ayağın ve çevredeki ortamın yumuşak kontrolü
(2) Batma veya kayma yok
Yapılandırılmamış yollarda ve engebeli arazide yürürken, makinenin ve zeminin çalışması bazen sürtünme, bazen toprağa zarar verme ve bazen doğrudan çarpışmadır.Mekanik bir analitik ilişkinin kurulması, stabilite kontrolünü ve pasiflik yargısını çözmek için gerekli bir koşuldur. Kanca çekişi, sürüş direnci, zemin basıncı, çökme, kayma ve kayma gibi faktörleri hesaba katan ayak ucu ile zemin arasındaki etkileşimin mekaniğini incelemek zorunludur.
Ayrık topraklama ile elde edilen çekiş kuvvetini elde etmenin en iyi yolu kuvvet dağılım modeli ile elde edilir ve ayrık topraklama ayağı ucu ile zemin arasındaki kuvvet hesaplanır. Aynı zamanda, dört ayaklı kuvvet dağıtım modelini daha da optimize etmek ve daha komplekslerde kullanılmak üzere çeşitli biyonik ayaklar üretmek için, bir enerji kaybı modeli ve üst üste binen yürüme destek fazının zemine temas eden "bacakları" ile toprağı sıkıştırmak için bir destek modeli oluşturulmuştur. Arazide yürümek.
03. "Tehlikelerin Üstesinden Gelme 2016" Görevine Genel Bakış
Eylül 2016'da Ordu Ekipman Departmanı, Tahe Kuzey Test Üssü ve Pekin Tuoli Üssü'nde "Aşırı Tehlikeler 2016" Yerinde İnsansız Platform Yarışması'nı başlattı. Yarışma "Dağ Biyonik Taşıma Grubu" yarışma konusunu oluşturdu.
(1) Ön Bilgiler (2016.09 Heilongjiang'daki Tahe Test Üssü)
Hazırlıklar, aşağıdaki içeriği değerlendirmek için sırasıyla 4 konu oluşturdu.
1. Kapsamlı arazi: Uzaktan kumanda veya manuel rehberlik altında, katılımcı platform kumlu yollar, çakıl yollar, çamurlu yollar ve çim gibi karmaşık yollardan sorunsuzca geçebilir. Ana araştırma, ayak platformunun çeşitli yol koşullarında uygulanabilir olmasını gerektiren ve platformun zeminden farklı mekanik özelliklere nasıl uyum sağladığına odaklanan ayak platformunun kaldırım uyarlanabilirliğidir: kum ve toprak yollarda temelde kayma ve kayma sorunları vardır. ; Çakıl yollarda esas olarak destek kuvvetinde hızlı değişikliklere neden olan gevşek çakıllar sorunu vardır; çamurlu yollarda esas olarak yapışma ve yapışkanlık sorunları vardır; çimde çoğunlukla kayma ve düşük yapışma sorunları vardır.
2. Yük taşıyan tırmanma: Katılımcı platforma ağır nesneler yükledikten sonra, 5 metre uzunluğunda 15 ° uzunlamasına bir eğimi tırmanın. Esas olarak, robotun yük altında hala dinamik stabiliteye sahip olup olamayacağını değerlendirir.Aynı zamanda, sistemin yük altında stabil bir şekilde yürüyebilme yeteneğini test etmek için güç sistemini, mekanik mukavemeti ve güvenilirliği değerlendirir. Bu nedenle, robotun karşılaştığı en büyük zorluk, yük için gereken gücü sağlayabilmesidir; mekanik mukavemet ve güvenilirlik, yük gereksinimlerini karşılayabilir; üçüncüsü, yük altında dengeyi koruyabilen kontrol algoritmasının kararlılığıdır.
3. Düz yol yarışı: Yarışma platformu 50 metrelik düz sert bir yoldur ve başlangıç noktasından bitiş noktasına kadar en yüksek hızda hareket eder. Esas olarak, robotun dinamik tepki kabiliyetini ölçmek için en önemli değerlendirme öğesi olan robotun maksimum çalışma hızını değerlendirir. Robotun maksimum çalışma hızına ulaşması için, bir dizi sorunun çözülmesi gerekir: Biri, güçlü ve sağlam bir kontrol algoritması gerektiren, çalıştıktan sonra dinamik stabilitedir; diğeri, hidrolik servo sisteminin akış hızı ve yanıt frekansı, hızlı çalışmaya ayak uydurabilmelidir. Üçüncüsü, güç sisteminin daha büyük darbe yüklerine dayanabilmesi ve sorunsuz güç etkisi sağlayabilmesidir; dördüncüsü, kontrol algoritmasının, mekanik sistem, elektrik sistemi, sensör sistemi vb. İle birlikte robotun mümkün olduğunca uyumlu kontrolünü gerçekleştirmesidir. , Enerji absorpsiyon tamponu işlevini gerçekleştirmek için.
4. Yön değiştirme: Katılımcı platform, belirlenen rota boyunca belirlenen alanda 2,5 metre aralıklarla işaret direkleri etrafında hareket edecektir. Mobil platformun esnekliğini ve hareketliliğini değerlendirmeye odaklanın. Kazığın etrafındaki 2,5 metrelik mesafe nedeniyle robotun esnek yönlendirme yeteneklerine sahip olması gerekir, bazı durumlarda gövdenin yanal hareketi ile kazığın etrafında hareket etmek gerekir. Ayaklı robotlar için, stabilite algoritmasının öncülüğünde, başlıca iki teknik sorun vardır: Birincisi, direksiyon yarıçapı gereksinimlerine bağlı olarak direksiyona ulaşmak için uygun bir temel noktasının nasıl esnek bir şekilde seçileceğidir; ikincisi, direksiyon işlemi sırasında nasıl döneceğidir. Bacaklar esnekliği ve koordinasyonu koruyabilir ve kavga olmayacaktır. Çin Kuzey Araç Araştırma Enstitüsü'nün "Koşu" dört ayaklı biyonik robotu 50 metrelik sprint şampiyonasını ve kapsamlı kros şampiyonasını kazandı.
(2) Finaller (2016.10 Beijing Tuoli Test Üssü)
Finaller için yer, nehir kıyısındaki çakıl taşlı yollar, çim eğimler ve çimento yamaçları içeren bir kros hesaplaşmasını içeren Pekin Tuoli Test Üssü'nde kuruldu. Nehir kanalı üzerindeki çakıl taşları şekil ve boyut olarak son derece düzensizdir ve zemine yapışma farklıdır, bu da ayak robotunun mekanizması ve kontrol algoritması için büyük bir zorluktur. Çin Kuzey Araç Araştırma Enstitüsü'nün "Koşu" dört ayaklı biyonik robotu, son şampiyonluğu kazanmak için ortalama 6 km hızla yokuş aşağı, yokuş yukarı, çimen, çamur ve parke taşı nehirlerinden geçti.
04. Özet ve Görünüm
Yarışma sayesinde, dört ayaklı biyonik robotun performans seviyesi tamamen test edildi ve gelecekteki araştırmalar için ana çekiş yönü önerildi.
(1) Zemin mekaniği üzerine teorik araştırmaları güçlendirin
Dört ayaklı biyonik robot tüm yarışmaları başarıyla tamamlasa da, 30 derecelik yumuşak eğime meydan okuyamadı, bu da doğal bir ortamda yürüyebilme yeteneğinin gerçek dört ayaklı ile hala belirli bir boşluğa sahip olduğunu gösteriyor. Yumuşak yamaçlarda yürüyen dört ayaklı biyonik robotun özü, yer mekaniğinin itme-kesme modelidir. Takip araştırması, dört ayaklı robotun ayağı ve toprağının itme-kesme modelinin araştırmasını güçlendirmeye odaklanmalı ve karmaşık zemini karşılayacak şekilde geliştirilmelidir. Yatak ve sürüş ayağı ucu mekanizması ve yürüme yürüyüşü.
(2) Mühendislik güvenilirliği araştırmasını güçlendirin
Yarışma boyunca, yarışmaya katılan dört ayaklı biyonik robotlar genel olarak kırılgan mekanizmayı, sık sensör kalibrasyonunu ve güç sistemi ile tahrik sisteminin arızasını ortaya çıkardı.Dört ayaklı biyonik robot, gerçek savaş uygulamaları kadar iyi olmayan düşük bir seyir menziline sahip. Belli bir boşluk var. Takip çalışmasında, uzun seyir menzili ve verimli sürüşe dayalı mekanizmalar ve kontrol modelleri üzerine araştırmalara odaklanmalıyız.
(3) Uygulamalar için gürültü azaltma ve hafiflik konusunda teknik araştırma yapın
Güç kaynağı olarak benzinli motorlu robot köpek daha uzun pil ömrüne ve daha güçlü yük kapasitesine sahiptir, ancak gürültü azaltmaya ihtiyacı vardır; güç kaynağı olarak motorlu robot köpeğin gürültüsü yoktur, ancak pil ömrünü iyileştirmesi gerekir. Hiçbir robot tüm insan ihtiyaçlarını karşılayamaz. Gürültü, ağırlık ve pil ömrü gibi sorunlar, dört ayaklı biyonik robotun sabit performansını belirleyen göstergeler değildir. Mevcut teknik şartlara ve gerçeklere dayanarak, askeri ihtiyaçları maksimumda karşılayan son sözdür. Motor güç kaynağına sahip robot köpek keşif ve sızma için uygunken, yağ motor güç kaynağına sahip robot köpek asker kadrosu ile malzeme taşımak için daha uygundur.
(4) İnovasyonu keşfetmek için bir milli takım oluşturun
Çin'deki dört ayaklı biyonik robotların mevcut araştırma durumu göz önünde bulundurulduğunda, araştırma kurumlarının kendi avantajlarına oynamak, çığır açan önemli teknolojileri geliştirmek ve dört ayaklı biyonik robot ürünlerinin uygulanmasını teşvik etmek için bir milli takım oluşturmak için yakın işbirliği içinde çalışması önerilmektedir.
yazar hakkında
Çin Kuzey Araç Araştırma Enstitüsü Bilgi ve Kontrol Teknolojisi Departmanı Direktörü, Yer İnsansız Platformu Ar-Ge Merkezi Direktör Yardımcısı ve Araştırmacısı, Çin Komuta ve Kontrol Topluluğu Gençlik Çalışma Komitesi Üyesi ve İnsansız Sistem Profesyonel Komitesi Üyesi ve Çin Ordnance Ground İnsansız Platformu alanında teknolojik bir lider . Esas olarak gezegen araçları, yer insansız platformları ve biyonik robotların araştırılmasıyla uğraştı. 30'dan fazla insansız platform projesine başkanlık etti, bakanlık seviyesinin üzerinde 7 bilimsel ve teknolojik ilerleme ödülü ve 22 ulusal buluş patenti kazandı.
Kaynak: Çin Komuta ve Kontrol Enstitüsü
