Бионические роботы. Змееподобные мобильные роботы и манипуляторы (300,00 руб.)

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

Стр.12

УДК 658.52.011.56.012.3 ББК 32.816 Х496 Интернет-магазин http://shop.rcd.ru • физика • математика • биоло гия • нефтег азовые технологии ХиросэШ. Бионические роботы: змееподобные мобильные роботы и манипуляторы. — М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. — 272 с. Живые организмы часто демонстрируют удивительные способности, которые вдохновляют людей на поиск новых инженерных решений старых проблем. Книга известного профессора Шигео Хиросэ из Токийского технологического института стала классической в области робототехники, но при этом не потеряла своей актуальности и значимости. В ней представлены исследования, посвященные передвижению змей, а также применению полученных знаний к новому классу роботов, передвигающихся подобно змеям. Автор дает описание потенциальных сфер применения таких роботов, утверждая, что они будут весьма востребованы в будущем, когда развитие технологий достигнет подходящего уровня. Это уникальное издание будет интересно как инженерам-робототехникам, так и зоологам. ISBN 978-5-4344-0194-4 c ББК 32.816 Институт компьютерных исследований, перевод на русский язык, 2014 http://shop.rcd.ru http://ics.org.ru

Стр.6

Оглавление Предисловие ..... ...... ...... ...... ...... . xiii Условные обозначения ...... ...... ...... ...... . xv ГЛАВА 1. Введение . ...... ...... ...... ...... . 1 1.1. Змея как биологическая машина .. .. .. .. .. .. ... .. 1 1.2. Зачем нужно исследовать змей? .. .. .. .. .. .. ... .. 1 1.3. Значимость для инженерно-технических наук . . . . . . . . . 3 1.3.1. Техническое применение моделей передвижения как у живых организмов . .. .. .. .. .. .. .. ... .. 3 1.3.2. Техническое применение способов манипулирования как у живых организмов . .. .. .. .. .. .. . . . . 4 1.3.3. Гибкая машина простейшей базовой формы . . . . . . 5 1.4. Методы биомеханического исследования . . . . . . . . . . . . 6 1.5. Анализ двигательной функции АХМ . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.1. Особенности АХМ как мобильного тела . . . . . . . . 8 1.5.2. Прошлые исследования, касающиеся движения змей . 10 1.5.3. Классификация способов передвижения змей . . . . . 13 ГЛАВА 2. Динамика передвижения активного хордового механизма (динамика ползания) ..... ...... ...... ...... . 16 2.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 16 2.2. Параметры, управляющие движением АХМ . . . . . . . . . . 16 2.3. Фундаментальная кинематика активного хордового механизма 17 2.3.1. Вывод фундаментальных выражений для касательной силы . 2.3.2. Вывод фундаментальных выражений для нормальной силы . . . . . . . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 18 . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 20 2.3.3. Вывод фундаментальных выражений для мощности . . 20 ГЛАВА 3. Морфология ползания ..... ...... ...... . 23 3.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 23

Стр.7

viii ОГЛАВЛЕНИЕ 3.2. Физиологическое описание кривых ползания и скольжения . 23 3.3. Формульное описание кривой ползания–скольжения . . . . . 27 3.3.1. Формульное описание клотоидной кривой . . . . . . . 27 3.3.2. Формульное описание серпеноиды . . . . . . . . . . . 30 3.4. Проверка и сравнение с наблюдаемой скользящей формой . . 31 3.5. Заключение . . . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 34 ГЛАВА 4. Кинематика регулярного ползучего движения .... . 35 4.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 35 4.2. Подготовка к анализу . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 35 4.3. Распределение мышечной силы . .. .. .. .. .. .. . . . . 38 4.4. Силы, генерируемые в туловище при регулярном ползучем движении .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 39 4.4.1. Движущая сила ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 40 4.4.2. Нормальная сила ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 41 4.4.3. Мощность . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 43 4.4.4. Соотношения между силами, генерируемыми в туловище, и эффективностью скольжения . . . . . . . . . . 45 4.5. Анализ на основе аппроксимации клотоидной кривой . . . . . 45 4.6. Экспериментальный анализ регулярного ползучего движения подвязочных змей . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 47 4.6.1. Метод . . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 47 4.6.2. ЭМГ-замеры .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 49 4.6.3. Замеры нормальной силы .. .. .. .. .. .. ... .. 49 4.6.4. Определение координат точек замеров . . . . . . . . . 49 4.6.5. Результаты эксперимента .. .. .. .. .. .. ... .. 50 4.7. Сравнение результатов эксперимента с теорией и их анализ . 53 4.7.1. Оценка распределения мышечной силы . . . . . . . . . 53 4.7.2. Исследование движущей силы . . . . . . . . . . . . . . 54 . . 4.8. Заключение . . . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 55 ГЛАВА 5. Адаптивные функции ползучего движения ...... . 57 5.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 57 5.2. Синус-подъем . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 58 5.3. Принцип α-адаптивности . .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 60 5.3.1. Вывод принципа α-адаптивности . .. .. .. ... .. 60 5.3.2. Вывод отношения коэффициентов трения µt/µn .. .. 62

Стр.8

ОГЛАВЛЕНИЕ ix 5.3.3. Измерение угла изгибания α при движении змеи по наклонной плоскости .. .. .. .. .. .. ... .. 66 5.3.4. Измерение трения о поверхность скольжения и анализ результатов . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 67 5.3.5. Сравнение и оценка теоретических и экспериментальных результатов .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 69 5.3.6. Анализ и сравнение на основе аппроксимации клотоидной кривой . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 72 5.3.7. Связь между принципом α-адаптивности и синусподъемом .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 75 5.4. Принцип l-адаптивности . .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 76 5.4.1. Верхняя и нижняя границы для l .. .. .. .. . . . . 77 5.4.2. Определение l по характеристикам двигательных мышц 77 5.4.3. Анализ скользящей конфигурации змеи при изменении внешней температуры .. .. .. .. .. .. . . . . 79 5.4.4. Вывод принципа l-адаптивности . .. .. .. .. . . . . 81 . . 5.5. Заключение . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 83 ГЛАВА 6. Ползучее движение по пересеченной местности ... . 85 6.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 85 6.2. Определение «лабиринта» и постановка задачи . . . . . . . . 86 6.3. Динамические характеристики ползучего движения внутри лабиринта . .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 87 6.4. Движущая сила и сопротивление внутри лабиринта . . . . . . 89 6.5. Динамический выбор скользящей конфигурации при движении внутри лабиринта . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 91 6.6. Эксперименты со змеями и оценка результатов . . . . . . . . 92 6.7. Заключение . . . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 95 ГЛАВА 7. Искусственное ползучее движение в исполнении активного хордового механизма .. ...... ...... ...... . 97 7.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 97 7.2. Конструирование машины для реализации искусственного ползучего движения .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 98 7.3. Управляющие механизмы для ползучего движения . . . . . . 101 7.4. Управление направлением движения . . . . . . . . . . . . . . 104 7.5. Проектирование механизма .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 106 7.6. Проектирование системы управления . . . . . . . . . . . . . . 109

Стр.9

xОГЛАВЛЕНИЕ 7.6.1. Центральная система управления . . . . . . . . . . . . 109 7.6.2. Механизм задержки и передачи сигналов . . . . . . . . 110 7.6.3. Сервосистемы сочленений .. .. .. .. .. .. . . . . 112 7.7. Характеристики скольжения прототипа .. .. .. .. ... .. 112 7.8. Испытание прототипа . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 112 ГЛАВА 8. Управление движением активного хордового механизма с тактильными датчиками . ...... ...... ...... . 115 8.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 115 8.2. Режимы управления АХМ с тактильным очувствлением . . . 116 8.2.1. Обработка тактильной сенсорной информации по принципу латерального торможения . . . . . . . . . . . . . 116 8.2.2. Линейное сдвиговое управление угловыми сигналами 119 8.3. Конструкция опытного образца АХМ с тактильным очувствлением и обработка тактильной информации . . . . . . . . . . 121 8.4. Линейное сдвиговое управление прототипом машины с тактильным очувствлением ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 125 8.4.1. Cхема линейного сдвига с полевым транзистором . . . 126 8.4.2. Схема с обратной функцией . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.4.3. Схема генерации сигналов сдвига . . . . . . . . . . . . 131 8.5. Структура системы управления прототипом АХМ . . . . . . . 133 8.5.1. Центральный отдел .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 133 8.5.2. Нервная система ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 133 8.5.3. Исполнительный отдел . .. .. .. .. .. .. ... .. 135 8.6. Экспериментальное управление прототипом АХМ . . . . . . 136 8.6.1. Эксперимент по обвиванию объекта . . . . . . . . . . . 136 8.6.2. Эксперименты по заползанию в извилистую колею и самопродвижению внутри нее . . . . . . . . . . . . . 137 8.6.3. Эксперимент по движению с давлением на столбик . . 141 . . 8.7. Заключение . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 141 ГЛАВА 9. Разработка АХМ как захватного устройства ..... . 145 9.1. Определение гибкого захватывания .. .. .. .. .. ... .. 145 9.2. Динамика гибкого захватывания .. .. .. .. .. .. ... .. 147 9.3. Проектирование мягкого схвата . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 ГЛАВА 10. Разработка АХМ как манипулятора ... ...... . 158 10.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 158 10.2. Наклонный вращательный механизм . .. .. .. .. ... .. 159

Стр.10

ОГЛАВЛЕНИЕ xi 10.2.1. АХМ для пространственных движений . . . . . . . . . 159 10.2.2. Описание наклонного вращательного механизма . . . . 160 10.2.3. Позиционное управление наклонным вращательным механизмом . .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 163 10.2.4. Эксперименты по управлению прототипом . . . . . . . 166 10.2.5. Практическое применение наклонного вращательного механизма . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 166 10.3. Эластичная роботизированная рука с тросовой передачей . . 168 10.3.1. Базовая структура .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. 168 10.3.2. Проектирование и конструирование роботизированной руки с эластичными модулями и тросовой передачей .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 173 10.4. Многозвенный манипулятор со связанной тросовой передачей 177 10.4.1. Проблемы веса многозвенного манипулятора . . . . . 179 10.4.2. Манипулятор CT arm (многозвенный манипулятор со связанной тросовой передачей) . . . . . . . . . . . . 179 10.4.3. Анализ механизма .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. 183 10.4.4. Управление CT-рукой .. .. .. .. .. .. .. ... .. 185 10.4.5. Конструкция прототипа СТ arm 1 . . . . . . . . . . . . 191 10.5. Активный эндоскоп, использующий сплавы с памятью формы 193 10.5.1. Фундаментальные положения . . . . . . . . . . . . . . 193 10.5.2. Важность разработки активного эндоскопа . . . . . . . 195 10.5.3. Структурное проектирование активного эндоскопа . . 196 10.5.4. Проектирование системы управления . . . . . . . . . . 199 10.5.5. Экспериментальное управление движением . . . . . . 200 10.6. Другие примеры АХМ-манипуляторов . . . . . . . . . . . . . 200 10.7. Управление АХМ-манипулятором . . . . . . . . . . . . . . . . 206 10.7.1. Предыдущие работы, касающиеся управления манипуляторами с избыточными степенями свободы . . . . 206 10.7.2. Управление на основе разложения избыточности . . . 208 10.7.3. Компьютерное моделирование . . . . . . . . . . . . . . 209 10.7.4.Муреноподобный привод .. .. .. .. .. .. ... .. 210 ГЛАВА 11. Разработка АХМ как мобильного робота ...... . 216 11.1. Введение .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 216 11.2. Мобильный робот с наклонным вращательным механизмом . 217 11.3. Koryu I (KR-I) . . . . . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 219

Стр.11

xii ОГЛАВЛЕНИЕ 11.3.1. Технические характеристики робота для выполнения операций в опасных зонах . .. .. .. .. .. ... .. 219 11.3.2. Базовая структура робота Koryu (KR) . . . . . . . . . . 219 11.3.3. Прототип KR-I и его опытная эксплуатация . . . . . . 221 11.4. Koryu II (Kr-II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.4.1. Модульная конструкция .. .. .. .. .. .. .. . . . . 227 11.4.2. Ходовая часть . ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. 229 11.4.3. Конструкция z-привода .. .. .. .. .. .. .. . . . . 230 11.4.4. Конструкция манипулятора . . . . . . . . . . . . . . . . 233 11.4.5. Базовое испытание .. .. .. .. .. .. .. .. . . . . 233 ПРИЛОЖЕНИЕ A. .. ...... ...... ...... ...... . 235 A.1. Исследование конфигураций скольжения . . . . . . . . . . . . 235 A.2. Анатомическая конфигурация змеиного тела . . . . . . . . . . 237 Литература ...... ...... ...... ...... ...... . 242 Предметный указатель ..... ...... ...... ...... . 249

Стр.12