Robot con gambe

I robot con le zampe sono un tipo di robot mobile che utilizza gli arti meccanici per il movimento. Sono più versatili dei robot a ruote e possono attraversare molti terreni diversi, anche se questi vantaggi richiedono maggiore complessità e consumo energetico. I robot con le gambe spesso imitano animali con le zampe, come umani o insetti, in un esempio di biomimetica.

tipi
I robot con zampe possono essere classificati in base al numero di arti che usano, il che determina le andature disponibili. I robot a molte zampe tendono ad essere più stabili, mentre meno gambe si prestano a una maggiore manovrabilità.

Con una gamba sola
I robot a una gamba o pogo stick utilizzano un movimento di salto per la navigazione. Negli anni ’80, la Carnegie Mellon University ha sviluppato un robot con una gamba sola per studiare l’equilibrio. Berkeley’s SALTO è un altro esempio.

Due gambe
I robot bipedi o bipedi esibiscono un movimento bipede. Come tali, affrontano due problemi primari:

controllo di stabilità, che si riferisce al bilanciamento di un robot, e
controllo del movimento, che si riferisce alla capacità di movimento di un robot.

Il controllo della stabilità è particolarmente difficile per i sistemi bipedi, che devono mantenere l’equilibrio nella direzione avanti-indietro anche a riposo. Alcuni robot, in particolare i giocattoli, risolvono questo problema con i piedi grandi, che forniscono maggiore stabilità riducendo la mobilità. In alternativa, i sistemi più avanzati utilizzano sensori come accelerometri o giroscopi per fornire un feedback dinamico in modo approssimativo all’equilibrio di un essere umano. Tali sensori sono anche impiegati per il controllo del movimento e la camminata. La complessità di questi compiti si presta all’apprendimento automatico.

Il semplice movimento bipede può essere approssimato da un poligono rotante in cui la lunghezza di ciascun lato corrisponde a quella di un singolo passo. Man mano che la lunghezza del passo si accorcia, il numero di lati aumenta e il movimento si avvicina a quello di un cerchio. Questo collega il movimento bipede al movimento a ruote come limite della lunghezza del passo.

I robot a due gambe includono:

Atlante di Boston Dynamics
Robot giocattolo come QRIO e ASIMO.
Il robot della Valchiria della NASA, destinato ad aiutare gli umani su Marte.
Il ping-pong che gioca con il robot TOPIO.

A quattro zampe
I robot quadrupedi o a quattro zampe esibiscono movimento quadrupede. Beneficiano di una maggiore stabilità rispetto ai robot bipedi, specialmente durante il movimento. A basse velocità, un robot quadrupede può muovere solo una gamba alla volta, garantendo un treppiede stabile. I robot a quattro zampe beneficiano anche di un centro di gravità più basso rispetto ai sistemi a due gambe.

I robot a quattro zampe includono:

La serie TITAN, sviluppata dagli anni ’80 dal laboratorio Hirose-Yoneda.
Il BigDog dinamicamente stabile, sviluppato nel 2005 da Boston Dynamics, il Jet Propulsion Laboratory della NASA e la Concord Field Station dell’Università di Harvard.
Il successore di BigDog, l’LS3.

A sei zampe
I robot a sei zampe, o esapodi, sono motivati ​​dal desiderio di una stabilità ancora maggiore rispetto ai robot bipedi o quadrupedi. I loro progetti finali spesso imitano la meccanica degli insetti e le loro andature possono essere classificate in modo simile. Questi includono:

Andatura ondulata: l’andatura più lenta, in cui paia di gambe si muovono in una “onda” dal retro verso la parte anteriore.
Andatura del treppiede: un passo leggermente più veloce, in cui tre gambe si muovono contemporaneamente. Le restanti tre gambe forniscono un treppiede stabile per il robot.

I robot a sei zampe includono:

Odex, un hexapod da 375 libbre sviluppato da Odetics negli anni ’80. L’Odex si è distinto con i suoi computer di bordo, che controllavano ogni gamba.
Genghis, uno dei primi robot autonomi a sei zampe, è stato sviluppato al MIT da Rodney Brooks negli anni ’80.
La moderna serie di giocattoli, Hexbug.

Otto zampe
I robot con gambe a otto gambe sono ispirati a ragni e altri aracnidi, così come ad alcuni camminatori sott’acqua. Offrono di gran lunga la massima stabilità, che ha permesso alcuni primi successi con i robot dotati di gambe.

I robot a otto gambe includono:

Dante, un progetto della Carnegie Mellon University progettato per esplorare il Monte Erebus.
Il T8X, un robot disponibile in commercio progettato per emulare l’aspetto e i movimenti di un ragno.

ibridi
Alcuni robot usano una combinazione di gambe e ruote. Ciò garantisce a una macchina la velocità e l’efficienza energetica della locomotiva a ruote nonché la mobilità della navigazione con gambe. Il manico di Boston Dynamics, un robot bipede con ruote su entrambe le gambe, ne è un esempio.

Comportamento a piedi

Camminare statico
Il camminare statico è quando il centro di gravità di un robot è sempre sopra i piedi, in modo che non possa cadere senza l’azione di una forza esterna.

Passeggiate e corsa dinamici
La camminata dinamica si ha quando il baricentro di un robot può anche essere al di fuori dell’area dei piedi senza che il robot cada. In effetti, si potrebbe parlare di una “caduta controllata” in quanto il robot cadrebbe in un arresto improvviso del suo movimento.

La camminata dinamica è quando il movimento necessario per mantenere la velocità risulta in un momento in cui nessuna gamba del robot tocca il suolo.

Robot mobili statici
Il classico robot da passeggio è composto da attuatori, sensori e un controllo computerizzato. Le “gambe” vengono solitamente spostate da servomotori in modo tale da svolgere un programma di movimento prestabilito.

Robot a piedi statici a due gambe
Il robot ASIMO si muove con una velocità massima di 6 km / h, con una dimensione di 1,30 me un peso di 52 kg e richiede molta energia elettrica. Una sua abilità speciale è che può salire le scale.

Robot a piedi a sei zampe
Le costruzioni a sei zampe sono la base ideale per i robot a piedi staticamente stabili. Sono quindi adatti per il movimento su terreni sconnessi. Ci sono due andature (sequenza di movimenti delle gambe):

Treppiede portate
Transizione tetrapode

L’attrezzatura del treppiede ha tre gambe sul terreno in qualsiasi momento (ad esempio: insetto stecco indiano, con 3 posizioni e 3 gambe oscillanti).

L’andatura del tetrapode ha sempre quattro zampe sul terreno (4 gambe, 2 gambe oscillanti).

Nel caso di ghette con sei zampe ortogonali, viene fatta anche una differenziazione secondo il principio del movimento delle gambe a parte la sequenza dei movimenti delle gambe:

Seguaci (segui il leader) (ad es. Treppiedi, attrezzatura tetrapode)
Camminatore circolare
Web runner (weaving walker)

Le creature a sei zampe corrono come seguaci. Una gamba segue (in qualunque ordine) l’altra. Le macchine possono fare di più. Nel corridore circolare, le tre gambe del lato destro hanno un asse di rotazione comune – come le mani di un orologio (corrispondente alle gambe di sinistra). La gamba più arretrata viene girata di fronte alla gamba più avanzata. Ma come fa l’ultima gamba a passare le altre due gambe? Semplicemente oscilla sotto la pancia (la piattaforma del robot).

Il web runner esegue anche un movimento biologicamente impossibile. Nel web runner, tutte e sei le gambe siedono su un asse verticale comune al centro della piattaforma. Ogni gamba può vagare completamente attorno a tutto il corpo (un movimento telescopico orizzontale lo rende possibile). Le gambe si spostano dalla loro posizione più arretrata alla posizione più in primo piano correndo attorno alle altre due gambe all’esterno.

Quando si cammina su terreno irregolare, è fondamentale che il robot trovi un punto di atterraggio sicuro all’interno della sua dimensione (area di appoggio del punto d’appoggio) senza doversi allontanare troppo dalla sua direzione di rotta principale.

Robot dinamico a piedi
Passivi corridori dinamici
I robot in esecuzione che possono muoversi senza fonte di energia si basano su un giocattolo inventato 150 anni fa. Doveva solo essere innescato e poi correre giù per una piccola pendenza da solo. Per fare questo, il giocattolo oscilla da destra a sinistra e fa oscillare leggermente la gamba un po ‘in avanti. Quindi oscilla da sinistra a destra e l’altra gamba si sposta in avanti.

Con questa costruzione, il giocattolo può muoversi in modo efficiente dal punto di vista energetico e servire da modello di partenza per robot da corsa tecnicamente avanzati. Negli anni ’80, Tad McGeer aveva usato il principio del pendolo per stabilizzare i movimenti, che era stato realizzato in questo giocattolo. Non è più un sistema di controllo lento e complesso in un computer trascinato a far funzionare il robot, ma la struttura del sistema muscolo-scheletrico dovrebbe stabilizzare il robot in esecuzione senza ulteriori azioni. Se la costruzione del giocattolo semplice è integrata con un “anca” o “piedi mobili”, allora tali robot ambulanti hanno bisogno di energia solo quando accelerano le masse in movimento e non più come nei precedenti robot in marcia anche durante la frenata.