Хитрые жуки, или природа не так проста, как кажется.

[strangernn]

шагоход в поле. Пока все красиво (кликабельно)

Еще в 2008 году группа товарищей задумалась о создании "насекомохода", шагохода, который не мудрствуя лукаво будет воспроизводить самый простой алгоритм шагающего движения насекомых, т.н. "трешками", когда одновременно переставляются две крайних ноги с одной стороны и одна посередине - с другой. Теоретически, при это не нужно думать об устойчивости машины, потому что центр тяжести всегда внутри опорного треугольника неподвижных лап. Но это теоретически. На практике оказалось, что насекомые устроены гораздо хитрее, чем кажется на первых взгляд.

[Error: unknown template video]
история создания машины в небольшом видео

На малогабаритных модельках все работало прекрасно, и конструкторы приступили к постройке полноразмерной пилотируемой машины. На их стороне играла простота конструкции из рамы, шести высокомоментных электромоторов и копеечного контроллера, который управлял движением карбоновых лап. А вот против них сыграла инерция большой машины и оказавшаяся далекой от идеальной конструкция "лап" из элементов спирали. Оказалось, что для заноса переставляемых лап вперед - надо немного провернуть и опорные лапы, что в силу их конструкции привело к тому, что машина радостно впоролась носом в песок. Потому что опорный треугольник перестал быть при первом же шаге. На маленьких машинках этот эффект был незаметен в силу большой частоты лапомахания, а на большой - ну, вы все сами видите. Природа экономна и рациональна, и не зря не создала ни колеса, ни вращательного движения (на макроуровне).

[Error: unknown template video]
со второй попытки тоже не срослось

Как показала практика, для реализации шагающего движения - в любом случае необходим механизм плоскопараллельного нагруженного перемещения опорной ноги(ног) во время фазы переноса свободных ног вперед. Конкретно, в данном случае, это мог бы быть параллелограммный механизм, - но беда в том, что получить быстрое "невращательное" движение от имеющих достаточную прочность "конечностей" не получится, инерция будет мешать, порождая разнообразные варианты нагрузок на конструкцию и сотрясая саму машину. Хорошо насекомым с их крохотными лапками, - но решение это не масштабируется никак.

...а последовательно ликвидируя недостатки спиральных "лапок" мы возвращаемся к старому доброму колесу.

---

+ большой фильм про "эпик фейл".

Comments

[orange-piano.livejournal.com]

Второго видео не видно(

[ony10.livejournal.com]

И вот ведь забавно: еще в 80е в SciAm была статья про шагоходы где, в частности, рассматривались шестиноги и выражались сомнения в их масштабируемости до сколь-нибудь полезных размеров.

[alex-ak.livejournal.com]

Э-эээ... Шагающие экскаваторы как бы намекают,что масштабировать-то можно сколько угодно, вопрос в скорости.

[superbubles.livejournal.com]

Какой он шагающий? Скорее как морж, на ластах подтягивается :)

[alex-ak.livejournal.com]

Кстати да. Действительно, похоже, но это только двухлапые, которые тащат задницу волоком. А есть еще четырехлапые, например роторные экскаваторы "Шкода", которые именно по-настоящему перешагивают.

[ony10.livejournal.com]

Там речь шла о вездеходах взамен гусеничных и многоколесных.

[alex-ak.livejournal.com]

Ну да. Разговоры об этом идут уже лет сто. У меня есть несколько журналов "Техника-молодежи" 1940-х (довоенные еще), 50-х, 60-х годов. Там тоже периодически попадаются статьи про шагающие машины, в том числе с фотографиями реально построенных образцов. Среди них были даже такие, у которых была решена проблема поворота (для шестиногов тупо на кинематически связанных прямилах Чебышева это проблема, которую сейчас решают индивидуальным управлением каждой ногой). А воз, т.е. в смысле конь, и ныне там. Думаю, это объективно связано с крайне невыгодной энергетикой процесса шагания, т.е. все эти машины очень медленные. Как следствие, шагающие машины могут быть оправданы только там, где нельзя пройти никаким другим способом, это фактически глубокие говна, скалы, косогоры и тому подобный rough terrain. А к месту применения их придется везти на трейлерах. Была у японцев "многоножка", которая развивала до 50 км/ч, но там они решили вопрос инерции движущихся масс, просто сильно уменьшив ноги с увеличением их количества. Как следствие, проходимость у нее была не лучше обычной легковушки.

[ony10.livejournal.com]

> Думаю, это объективно связано с крайне невыгодной энергетикой процесса шагания

Дык! Если ног меньше 6, то при каждом шаге мы вынуждены поднимать центр тяжести (и поддерживать равновесие динамически, что требует мозгов - в отличие от). Но так как каждая нога должна быть крепкой (и работать при постоянных знакопеременных нагрузках), то многоног становится слишком тяжелым.

[alex-ak.livejournal.com]

Там даже дело не в этом. Вопросы шагания четвероногой машины в целом решены, на современном уровне техники можно сделать и двуногую (я имею в виду честно двуногую с динамическим поддержанием равновесия, а не фуфло в виде роботов с огромными плоскими ступнями, которых показывали на конкурсе DARPA). Проблема вообще любой шагающей машины - циклический разгон и торможение подвижных звеньев. Для техники с характерными размерами автомобиля (а может быть, даже и независимо от размеров) при приближении к скорости примерно 11 км/ч очень сильно возрастают энергозатраты на то, чтобы поднять и разогнать ногу, переставить, затормозить (чтобы поставить без удара), провести под нагрузкой и снова поднять. Причем с ростом скорости инерционные нагрузки на конструкцию ноги при движении по воздуху начинают сильно превышать нагрузки от веса машины при шаге. Упругость ног приводит к колебаниям и вибрациям, надо использовать демпферы на каждом звене, а это вес, вес и вес. И как вы правильно заметили, машина становится слишком тяжелой.

[abarygen.livejournal.com]

В случае DARPA Robotics Challenge, там основанная задача - софт, алгоритмы управления. Робот не может думать, как человек, что бы разработать новые алгоритмы, нужно решать новые, нетривиальные задачи автономно.

[alex-ak.livejournal.com]

Механическими задачами они тоже занимаются, но чаще действительно алгоритмами. Мне кажется, что в данном случае они запрягают телегу впереди лошади. Придумывают алгоритмы для решения задачи, которая может вообще не возникнуть. А потом будут задним числом к имеющимся алгоритмам придумывать задачу.

[abarygen.livejournal.com]

Ну тут много вкусностей. Отработка разработки алгоритормов решения новых задач, особенно в сжатые сроки. Отработка комбинирования готовых решений в новых условиях. Отработка взаимодействия готовых программных решений с новыми. Оптимизация кола. Программеры, они такие, им только денег дай, а они сколько угодно будут код генерить, тестить и т.д.

[alex-ak.livejournal.com]

Ну, это не для одних программеров характерно. "Наука - это способ удовлетворения личного любопытства за государственный счет", как сказал советский физик Лев Арцимович.

[abarygen.livejournal.com]

А если посмотреть это: http://www.youtube.com/watch?v=290REmBFuIE
Становятся очевидным, что они в начале пути к ОБЧР. :-)

[alex-ak.livejournal.com]

Не понял. А где там ОБЧР? Фильм про реактивный ранец, причем последний эпизод сильно напоминает мультик "Ноги, крылья и хвосты", где испытатель бежит как очумевший страус.

Кто-нибудь воплотил бы в жизнь диглатор из лемовского "Фиаско", вот это был бы ОБЧР! Только я в упор не могу придумать, для чего такая машина может понадобиться, а сам пан Станислав по своему обыкновению не объяснил.

[abarygen.livejournal.com]

Да мне этот ранец таким же осмысленным показался.

[alex-ak.livejournal.com]

Ну да, фигня какая-то с двумя маленькими турбинками. Я все ждал, что они его навесят на робота ростом сантиметров 60-70 и это будет в самый раз.

[abarygen.livejournal.com]

Во-во. А потом отмасштабируют до ОБЧР. :-) И что бы с лазерами и рейлганом.

[alex-ak.livejournal.com]

Пиу-пиу, пыщь-пыщь, ололо!!!

[abarygen.livejournal.com]

Кстати, есть там и гибриды: http://www.youtube.com/watch?v=BGOUSvaQcBs

[pyrcus.livejournal.com]

Природа экономна и рациональна, и не зря не создала ни колеса, ни вращательного движения (на макроуровне).

Может я не совсем понял эту мысль, но природа создала колесо:

[alex-ak.livejournal.com]

А прямило Чебышева их не устроило из-за больших инерционных моментов?
Я читал статью о разработках ВНИИТРАНСМАШ по марсианской теме, там они объясняли, почему они отказались от шагания. Было проработано было около 300 вариантов шасси - General Dynamics может отдыхать. Правило очень простое. Энергозатраты при движении на колесах растут пропорционально первой степени скорости, а при ходьбе - пропорционально кубу. Превысить порог скорости около 11 км/ч шагом практически нереально, так как потребная мощность привода задирается в космос. При беге зависимость квадратичная, но очень сильно возрастают нагрузки на конструкцию ног и суставы, а также становится сложно удерживать равновесие при отрыве всех ног от земли и последующем приземлении на одну из них.

[valdarkwall.livejournal.com]

Зарегистрировался, чтобы спросить. :)
Есть ли какие-то ключевые слова, по которым можно эту статью найти?
Или название источника?
Не смог сходу нагуглить, а тема интересна.

[alex-ak.livejournal.com]

"Техника-Молодежи" в районе 1990 года, плюс-минус год. Статья была в начале журнала, где-то сразу после передовицы. Точнее не помню, а искать сейчас некогда. Если вспомню на выходных, попробую найти. Там вообще было много интересного, например, как испытывалось поведение шагающих шасси на скользких грунтах. Для малоразмерных моделей использовался ящик с льняным семенем (адская вещь, в нем реально можно утонуть), а для более крупных - полиэтиленовые шарики.

[valdarkwall.livejournal.com]

Благодарю!
Скачаю подписку и посмотрю на выходных.

[abarygen.livejournal.com]

Самое забавное, что американцы в результате эволюции своих робомулов пришли к чему то очень похожему по ногам и копытам на лошадь. Я причем видел видео, где последнее поколение скачет очень бодро да еще и через барьеры. Правда скакало на асфальте. Думаю на пересеченке им это пока слабо. http://www.youtube.com/watch?v=M8YjvHYbZ9w

[alex-ak.livejournal.com]

На асфальте это потому что им пока не удалось решить проблему ориентируемой (или еще лучше самоориентируемой) опорной площадки приличной площади. Поэтому они используют сферические наконечники ног, что упрощает им расчет кинематики подвижных звеньев, но зато удельное давление на грунт - ой. Только для асфальта. В принципе, они и должны были придти к лошади, раз с самого начала этот шагоход задумывался для перевозки груза. Даже странно, что начинали они с подражания собаке - это выразилось, например, в том, что у них лапы "коленками назад".

[valdarkwall.livejournal.com]

Почему они не рассматривали или скорее отсеяли вариант с 6+ ногами?
У меня постоянно этот вопрос возникает и при просмотре того недавнего соревнования от DARPA. Там вообще все "гуманоидные".

[alex-ak.livejournal.com]

Я где-то в другом месте читал, что Трансмаш тогда проработал на более-менее натурных образцах (ну то есть не на бумаге, а хотя бы в настольных моделях) около 300 вариантов. Там были и колесные, и гусеничные, и шестиногие, и восьминогие, и многоногие, и безногие (перешагивающие лыжами) шасси. Вплоть до экзотики вроде шара, катящегося за счет смещения центра масс внутри. Кстати, для малого автономного марсохода, высаживаемого с беспилотного посадочного модуля, было выбрано как раз шасси с двумя лыжами и посадкой на пузо между шагами. Аппарат был размером чуть побольше книги.

Почему роботы на соревнованиях DARPA гуманоидные - я не знаю. Я не читал условия конкурса, возможно там это оговорено. Кстати, они не все двуногие, там были и варианты типа паука. Могло быть оговорено негласно, просто потому что гуманоиды - это зрелищно, а большая часть конкурсов DARPA (кроме закрытых) больше смахивают на имитацию бурной деятельности и просто привлечение внимания публики к самой DARPA. Для любой конкретной задачи строить гуманоидов нет никакого смысла, они будут проигрывать специализированной и гораздо более простой машине под эту задачу. Например, в данном конкретном случае, реальный робот-спасатель будет, я думаю, больше похож на складную койку (или капсулу для пострадавшего) на каком-то шасси, может быть и шагающем (ради лестниц).

Помнится, на конкурсе "Битва роботов" был конкурс на робота, карабкающегося по веревке. Все они были более или менее гуманоидны. А победил вообще не робот, а очень простой механизм из двух рычагов в виде складного ножика, у которого по концам были роликовые зажимы для веревки, а посередине пневмоцилиндр, складывающий и раскладывающий рычаги. Мозгов у него не было вообще. Он бодро залезал по веревке, стоил три копейки, интеллекта не имел за ненадобностью, это было очень эффектно, но совершенно не зрелищно.

[sab123.livejournal.com]

Маленькие видео не видно, посмотрел большое.

Вроде, проблема довольно очевидна: когда толкающие ноги движутся, то во-первых они должны проскальзывать, а во-вторых стационарные ноги должны упруго изгибаться. Они сделали ноги слишком жесткими, и поэтому ничего никуда не изгибается. И к тому же нафигачили на них сверху резины, которая мешает проскальзывать.

А жесткими они их сделали, чтобы поддерживать имеющийся вес. Вместо того надо было ноги делать или просто раза в три больше размером, чтоб держать тот же вес при меньшей жесткости (с проседанием), или придумывать варианты, чтобы сохранить жесткость на сжатие впоперек ноги, но уменьшить жесткость на закручивание. Скажем, можно попробовать воткнуть пружину между двумя концами ноги.

И как вариант - сделать ноги дугами больше 180 градусов.

[alex-ak.livejournal.com]

И как вариант - сделать ноги дугами больше 180 градусов.

- это будут уже без пяти минут колеса.

[sab123.livejournal.com]

Только с осью не в центре, а в верхней точке. Я вообще-то думал про добавить градусов 45, но так - тоже вариант. Еще один вариант - сделать, чтобы они и дальше расширялись спиралью.

[alex-ak.livejournal.com]

Колеса в виде фрагмента спирали я где-то видел, только не помню где.

[akiuki.livejournal.com]

почему бы их не замкнуть на все 360 градусов, проблема упругости решилась бы лучше

[sab123.livejournal.com]

Действительно. А еще, наверное, можно укрепить на каждой оси по две ноги, на 180 градусов друг от друга, "восьмеркой". И вместо электрического управления последовательностью шагов, просто механически соединить оси ног на одной стороне, чтоб они были в положениях с разницей 90 градусов друг от друга.

[akiuki.livejournal.com]

Ну да, механически фиксированная разница фаз :) А не то, что у них вышло

[immetatron.livejournal.com]

Они попробовали, а вот мелкие роботы у них весьма шустры. Так что решение может быть ещё где-то и пригодиться.

[superbubles.livejournal.com]

Попытались масштабировать R-Hex. Но ничего неожиданного, его трясёт почти на высоту корпуса при ходьбе.

[lesnik-982.livejournal.com]

Конструкция слишком примитивна. У насекомых лапы пропорционально в два раза длиннее туловища, плюс степени свободы выноса, поворотов и усилия каждой лапы, и всё на рефлексах. Наверное, чисто теоретически сделать это можно, но не с такими ресурсами.

[telestroka.livejournal.com]

Все верно, спасибо. Природа гениальна.

[darius varnas (from livejournal.com)]

Ну и примитив. Даже совфт несмогли нормально написать. Да проходимость там сомнительна что какая то особенная. По песку/снегу ета машина будет иметь проходимость хуже етого https://www.youtube.com/watch?v=BoR5HHLnVkE или гусеницы по камням тоже большие сомнения - посмотрите как сечас кросовые багги в Америке по мкалам лазит. Надеть там чтото типа гребных колес и ета многоножка отдыхает...
П.С. Самое смешное - что поворачивать ета штука неможет. В смысле прямо ехать можно (теоритически) а вот поворачивать нельзя даже теоритически - ибо опорный треуголник получаетса тольк при четкой синхронизации вращения всех 6 лап. Если при движени начать замедлять вращение оап одного борта - начнет ракачитса как на видео, какие бы там лапы недел. Ну разве что остановитса - спустит лапы одного борта на землю, и начнет крутить лапами другова. т

[zaratushtra-87.livejournal.com]

Почему эти дауны решили, что вращательный механизм сможет заменить шага тельный? У чуваков с математикой напряг. Много практики , 0 базы

[alex-ak.livejournal.com]

Последняя фраза - это несколько видоизмененная формулировка принципа "Не надо думать, надо прыгать".