Дослідження ефективності моделі двоногого крокуючого робота



В даній публікації за допомогою параметру Cost of Transport (CoT) досліджується ефективність моделі двоногого крокуючого робота Darth EvadeR, котрий вміє обходити перешкоди. Проведені дослідження дозволили визначити оптимальне значення CoT та виконати порівняння з ефективністю вже існуючих крокуючих роботів. Розроблено алгоритм розрахунку загальної потужності, що споживає модель робота, з використанням значень обертального моменту та кутової швидкості приводів робота.

Ключові слова--двоногий крокуючий робот, CoT, ефективність робота, обертальний момент, кутова швидкість, Darth EvadeR.

Вступ

Під час розробки роботів, що здатні змінювати своє положення у просторі, виникає необхідність у визначенні їх ефективності. Для цієї задачі служить показник Cost of Transport, найчастіше вживається абревіатура CoT. Це безрозмірний енергетичний критерій визначення ефективності роботів та інших рухомих транспортних засобів (включаючи живих істот), що досліджує енерговитрати на переміщення одиниці ваги на одиницю відстані [1]. Дане визначення більше підходить для роботи з живи-ми істотами, а для робототехнічних систем краще користуватися формулою, яка використовується у діаграмах Кармана-Габріелі [2]. У зазначеному джерелі СоТ ще називається питомою силою тяги, питомим опором або ж індексом енергії і обчислюється за формулою (1): \begin{eqnarray} CoT=\frac{P}{mgv},
\end{eqnarray} де $P$ — потужність робототехнічної системи, Вт; g — гравітаційна стала (9,8 м/${c}^{2}$); v — швидкість пересування системи, м/с.

Потужність визначається як добуток сили струму та напруги на ділянці електричного кола — цією формулою зручно описувати середнє значення потужності на приводах вже існуючого робота, де є можливість здійснювати точні виміри сили струму. Якщо ж наявна лише модель робота, доцільно знаходити Р через обертальний момент та кутову швидкість кожної частини кінцівки робота [3]. Середовище Simulink дозволяє легко відстежувати ці параметри. Сама формула має вигляд (2): \begin{eqnarray} P=M\cdot \omega,
\end{eqnarray} де $M$ — обертальний момент, Нм; $\omega$ — кутова швидкість обертання валу, ${c}^{-1}$.

Формули (1) та (2) допоможуть у знаходженні оптимального індексу СоТ двоногого робота Darth EvadeR (детальніше про робота у [4]).

Алгоритм розрахунку загальної потужності робота darth evader

Особливістю авторського робота є його здатність обходити перешкоди з відновленням початкової прямолінійної ходьби. Обчислення середнього споживання потужності вимагає врахування двох фаз робота: прямолінійної ходьби та обходу перешкод. Тому був розроблений наступний алгоритм обрахування сумарної потужності робота:

  • Розбиття ходьби на 2 фази: 1 фаза — прямолінійна ходьба, 2 — обхід перешкоди.
  • Знаходження середнього значення потужності для кожного приводу робота за один цикл ходьби, що триває 0,8 с. Ці значення сумуються, а результат — сумарне споживання роботом потужності за один цикл ходьби у фазі 1. Далі знаходиться сумарна потужність, витрачена роботом на здійснення ходьби у фазі 1 при відомому часі виконання завдання.
  • Дії з п. 2 застосовуються і для 2 фази робота. Результуюче значення — сумарна потужність, витрачена роботом на здійснення ходьби у фазі 2.

Сума знайдених потужностей з п.2, 3 і є сумарною потужністю робота при виконанні завдання. Важливо розуміти, що завдання робота передбачає реалізацію наступних дій: робот має пройти 1,5м, зупинитися перед перешкодою на відстані 1м, обійти 0,4м перешкоди, відновити прямолінійний рух і зайти за перешкоду. Демонстрація дій, які має виконати робот, на рис.1.

Рис. 1 Переміщення робота Darth EvadeR: 1 — початкова позиція робота, 2 — робот виявив перешкоду і зупинився, 3 — робот обійшов перешкоду і зайшов за неї

Обчислення СoТ

Darth EvadeR має наступні параметри: вага — 172 кг, середня швидкість — 0,139 м/с, споживана потужність — 13,999 кВт, час виконання завдання — 22,11 с. Підставляємо дані до (1) та отримуємо 58,4. Проводимо серію дослідів, змінюючи тривалість циклу ходьби робота, кути згинання-розгинання кінцівок та шукаємо оптимальне значення СоТ (найменше). Результати дослідів у табл.1.

Як можна бачити з табл. 1, оптимальне значення СоТ у досліді №7 — 42,16. Був отриманий приріст швидкості у розмірі 82,25%, час виконання роботом завдання скоротився на 36,64%, однак енергоспоживання зросло на 31,5%.

Порівняння СoТ з існуючими роботами

Аби зрозуміти адекватність значення СоТ, котре було назване оптимальним, слід порівняти його зі значеннями СоТ вже наявних крокуючих роботів. Розглянемо наступні робототехнічні системи (наведені у табл. 2): 1 — двонога варіація робота RHex [5], 2 — двоногий Cornell [6], 3 — шестиногий Gregor I, 4 — шестиногий DASH, 5 — двоногий Asimo, 6 — чотириногий Big Dog [7], 7 — Darth EvadeR. Їх СоТ наведені у табл. 2.

Як можна бачити, СоТ авторського робота більше ніж в 2 рази перебільшує найближчого вагового конкурента — чотириногого Big Dog. Двоногий робот Asimo з вагою 50 кг тим часом має в 13 разів менший СоТ. Насправді, ефективність Darth EvadeR 39,76 не є «поганим» показником, оскільки при великій вазі робота високі затрати потужності є передбачуваними при тому, що він досить швидко зближується з перешкодою та обходить її.

Висновки

У даній публікації був обчислений показник ефективності моделі двоногого крокуючого робота Darth EvadeR. За допомогою серії дослідів було визначено оптимальний індекс СоТ, а також було проведене порівняння отриманого індексу з показниками вже існуючих роботів. Оптимальний показник СоТ у порівнянні з найпершим розрахованим дав виграш у швидкості пересування (+82,25%) та у часі виконання роботом завдання з наближення до перешкоди та її обходу (-36,64%), однак споживання потужності при цьому збільшилося на 31,5%.

Також, зважаючи на існування робота Darth EvadeR лише у якості моделі у середовищі MATLAB/Simulink, для знаходження потужності використовувалася формула, що спирається не на класичні силу струму та напругу, а на обертальний момент та кутову швидкість приводів моделі робота. Обчислений СоТ показав, що модель Darth EvadeR`a потребує подальшого удосконалення, а саме: зменшення ваги робота і, відповідно, зменшення енергоспоживання; вдосконалення алгоритму пересування та обходження перешкод.

Література

{1} Yang T. Control of aperiodic walking and the energetic effects of parallel joint compliance of planar bipedal robots: – Columbus, Ohio, 2007. – 214 с.

{2} Halloran M. Wing in Ground Effect Craft Review (DSTO-GD-0201) [Електронний ресурс] / DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory. – 1999. – Режим доступу: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA361836.pdf.

{3} https://eti.su/articles/elektricheskie\-mashini/elektri cheskie-mashini\_1571.html (дата звернення 15.04.2021).

{4} Репнікова Н. Б. Вдосконалення функціональних можливостей моделі крокуючого робота / Н. Б. Репнікова, В. А. Сверчков // Проблеми інформатизації та управління. – 2021. — Т. 1, №65 — С. 62-67.

{5} Neville N. A bipedal running robot with one actuator per leg // IEEE International Conference on Robotics and Automation: – Orlando, 2006 – С. 848-853.

{6} Collins S. Efficient Bipedal Robots Based on Passive-Dynamic Walkers // Science. – 2005. – Т. 307, Вип. 5712. – С. 1082-1085.

{7} Luneskas M. Hexapod Robot Gait Switching for Energy Consumption and Cost of Transport Management Using Heuristic Algorithms / Appl. Sci. – 2021. – Т. 11, Вип.3.

Dec 5, 2021