Алгоритм преодоления ползающим роботом лестничного пролета путем заползания на него или сползания

Цель исследования. Целью работы является разработка алгоритма последовательных движений трехзвенного ползающего робота, который обеспечивает возможность преодоления устройством лестничных пролетов путем заползания на каждую ступень или сползания с каждой ступени при обратной последовательности этапов. Особенностью робота является сочетание трех типов движений: змее-, червеи гусеницеподобного, что делает устройство более маневренным и расширяет его функциональные возможности.
Методы. Для разработки математической модели движения звеньев ползающего робота на каждом из этапов алгоритма и описания его контактного взаимодействия с опорной поверхностью используется метод динамики многомассовых систем, для формирования связей, ограничивающих движения звеньев, используются методы кинематического и структурного анализа механизма робота.
Результаты. В статье представлены результаты численных экспериментов заползания робота на ступень лестничного пролета и сползания с нее, подтверждающие адекватность предложенного алгоритма движения. Положения опорных точек в моменты начала и завершения этапов, длины звеньев, а также углы их поворота в вертикальной плоскости соответствуют значениям этих величин, указанным в алгоритме в виде накладываемых связей и сформулированных условий завершения этапов.
Заключение. В статье описан детальный поэтапный алгоритм заползания ползающего робота на ступень лестничного пролета и сползания с нее, показано, что заползание и сползание являются противоположными с точки зрения реализации последовательности этапов операциями. Преимуществом данного алгоритма является универсальность его этапов для подъема робота по лестнице и спуска с нее. Помимо этого этапы алгоритма разработаны таким образом, что опрокидывания робота не происходит.

1. Tao W., Ou Y., Feng H. Research on Dynamics and Stability in the Stairs-climbing of a Tracked Mobile Robot // Intern. J. of Advanced Robotic Systems. 2012. Vol. 9(4). P. 146.

2. Ben-Tzvi P., Ito S., Goldenberg A.A. A mobile robot with autonomous climbing and descending of stairs // Robotica. 2009. Vol. 27(2). P. 171-188.

3. Analysis of stairs-climbing ability for a tracked reconfigurable modular robot / J. Liu, Y. Wang, S. Ma, B. Li // IEEE Intern. Safety, Security and Rescue Rototics: Workshop. Kobe, Japan. 2005. P. 36-41.

4. Multi-objective optimization for a humanoid robot climbing stairs based on Genetic Algorithms / B. Sheng, M. Huaqing, L. Qifeng, Z. Xijing // IEEE Intern. Conf. on Information and Automation. Zhuhai, China. 2009. P. 66-71.

5. Zhang R., Vadakkepat P., Chew C.M. Motion planning of biped robot climbing stairs // Proc. of FIRA Robot World Congress. 2003. P. 1-3.

6. Takahashi Y., Nakayama H., Nagasawa T. Biped robot to assist walking and moving up-and-down stairs // IECON: Proc. of the 24th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society. 1998. Vol. 2. P. 1140-1145.

7. Komura H., Yamada H., Hirose S. Development of snake-like robot ACM-R8 with large and mono-tread wheel // Advanced Robotics. 2015. Vol. 29(17). P. 1081-1094.

8. Pfotzer L., Klemm S., Rönnau A., Zöllner J.M., Dillmann R. Autonomous navigation for reconfigurable snake-like robots in challenging, unknown environments // Robotics and Autonomous Systems. 2017. Vol. 89. P. 123-135.

9. Yamada H., Takaoka S., Hirose S. A snake-like robot for real-world inspection applications (the design and control of a practical active cord mechanism) // Advanced Robotics. 2013. Vol. 27(1). P. 47-60.

10. Development and control of articulated mobile robot for climbing steep stairs / M. Tanaka, M. Nakajima, Y. Suzuki, K. Tanaka // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2018. Vol. 23(2). P. 531-541.

11. Development of the snake-like rescue robot" KOHGA" / T. Kamegawa, T. Yarnasaki, H. Igarashi, F. Matsuno // ICRA: Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. New Orleans, USA. 2004. Vol. 5. P. 5081-5086.

12. Yim M., Homans S., Roufas K. Climbing with snake-like robots // IFAC workshop on mobile robot technology. 2001. P. 21-27.

13. Borenstein J., Hansen M., Borrell A. The OmniTread OT-4 serpentine robot—design and performance // J. of Field Robotics. 2007. Vol. 24(7). P. 601-621.

14. Development of control for a serpentine robot / W.R. Hutchison, B.J. Constantine, J. Borenstein, J. Pratt // IEEE Intern. Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation. Jacksonville, USA. 2007. P. 149-154.

15. Vorochaeva L.Yu., Savin S.I., Yatsun A.S. Solving the Problem of Overcoming a Staircase Flight by a Multi-Link Crawling Robot // Intern. Conf. on Industrial Engineering. Sochi, Russia. 2020 (в печати).

16. Vorochaeva L., Savin S., Yatsun A. An investigation of motion of a crawling robot with supports with controllable friction // Russian J. of Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 15(4). P. 623–632.

17. The study of special positions of a crawling robot when changing its configuration / L.Yu. Vorochaeva, A.V. Malchikov, A.S. Yatsun, A. Martinez // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 747. P. 012094.

18. Яцун С. Ф., Мальчиков А. В., Жакин А. И. Динамические опорные элементы ползающих роботов для движения по наклонным поверхностям // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2012. №. 2-1. C. 89-95.

19. Яцун С. Ф., Мальчиков А. В. Автоматизированный мобильный комплекс для диагностики трубопроводов переменного диаметра // Автоматизация и современные технологии. 2012. №. 12. С. 3-8.

20. Carbone G., Malchikov A., Ceccarelli M., Jatsun S. Design and simulation of Kursk robot for in-pipe inspection // SYROM: Proc. of the 10th IFToMM Intern. Symposium on Science of Mechanisms and Machines. Brasov, Romania. 2010. P. 103-114.