Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Демонстрационные устройства вчера и сегодня 11
1.1. Демонстрационные автоматы в литературе прошлого и в настоящем 11
1.2. Из истории реализованных демонстрационных автоматов 13
1.3. Современные демонстрационные автоматы театре 21
1.3.2. Демонстрационные установки и роботы на выставках 24
1.3.3. Рекламные роботы 28
1.3.4. Хобби-роботы и игрушки
1.4. Классификация демонстрационных устройств 37
1.5. Постановка задач исследования в диссертации 40
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Задачи механики демонстрационных автоматов 45
2.1. Методология анализа реализованных демонстрационных автоматов 45
2.2. Сопоставление строения тела человека с механизмом антропоморфного демонстрационного робота
2.2.1. Краткие сведения о скелете человека 51
2.2.2. Строение скелета робота «Терминатор» 53
2.2.3. Краткие сведения о мышцах туловища и руки человека
- Из истории реализованных демонстрационных автоматов
- Демонстрационные установки и роботы на выставках
- Классификация демонстрационных устройств
- Сопоставление строения тела человека с механизмом антропоморфного демонстрационного робота
Из истории реализованных демонстрационных автоматов
Такие демонстрационные устройства, как робот-гид в музее естествознания Карнеги или антропоморфный робот фирмы «Honda», являются первыми экспериментальными разработками в области роботов в перспективе предназначенных для работы в сфере обслуживания. По мнению специалистов [116], эти роботы в ближайшие десятилетия перестанут быть чисто демонстрационными и будут выпускаться серийно. Например, маркетологи компании «ActivMedia Research» прогнозируют в ближайшие пять лет рост числа производимых в мире роботов более чем 3500%. По их мнению, рынок мобильных роботов вырастет с 665 млн. долларов в 2000 году до более чем 17 млрд. долларов в 2005 году.
Министерствами экономики, торговли и промышленности Японии в 2002 г. разработана национальная программа по развитию производства универсальных роботов для сферы обслуживания, получившая название "Наступление роботов в XXI веке". Особое направление в данной программе определяет социальный проект создания роботов для ухода за больными и пожилыми людьми. На международной выставке роботов в Сан-Франциско ученые японского университета г. Каназава уже представили систему автоматической транспортировки пациентов, не способных самостоятельно перемещаться.
По оценкам Японской ассоциации робототехники, в 2002 году будет произведено около 11 тыс. так называемых служебных роботов, 65 % которых станет работать в больницах и домах престарелых. Ассоциация прогнозирует, что к 2005 году объем рынка роботов для ухода за больными достигнет 250 млн. долларов, а к 2010 году вырастет до 1 млрд. долларов. Но в настоящее время все эти роботы являются демонстрационными.
Рассмотрим более подробно основные направления, в которых ведется разработка и создание современных демонстрационных роботов.
В современном кинематографе все более широкое применение находит компьютерное анимационное моделирование. Анимационные модели обладают более широкими возможностями с точки зрения движений (неограниченное количество степеней подвижности) и различных спецэффектов, например, трансформации, изменения геометрии, цвета поверхности, фактуры и т.п. Тем не менее, при съемках фантастических фильмов по сегодняшний день наряду с анимационными используются механические модели, которые позволяют достигнуть наибольшей естественности и реалистичности персонажа. Так, например, роботы-динозавры из фильма С. Спилберга «Парк Юрского периода» («Jurassic Park», 1993) отмечены в книге рекордов Гиннеса [123] как самые «естественные» роботы. Роботизированный тиранозавр-рекс, высотой 5,5 м, длиной 14 м и массой 4082 кг стал самым большим роботом, созданным когда-либо для художественного фильма. Механическая модель была выполнена одних размеров с настоящим динозавром.
В 1993 г. компания «Эмблин Энтертеинтмент», США, создала для фильма «Парк Юрского периода» 5 образцов динозавров, включая тиранозавра, дилофозавра, велоцераптора.
Конечно, достижение максимального эффекта от появления динозавров на экране было бы невозможно без использования движущихся моделей. Управление движениями роботов производилось с помощью их миниатюрных моделей, движения которых преобразовывались компьютером в управляющие сигналы для роботов-гигантов.
Фильм «Годзилла» (Godzilla), созданный компанией «Toho Co. Ltd.», также получил мировую известность благодаря механическим моделям фантастических монстров, участвовавшим в съемках фильма. «Годзилла» впервые вышел в Японии в 1954 под названием «Gojira». Это был один из первых в истории мирового кино фильмов, в которых наряду с компьютерными эффектами широко использовались подвижные механические модели. В первых сериях фильма Годзилла представлял собой колоссальное сооружение высотой 400 футов. Продюсеры использовали разнообразные спецэффекты, чтобы создать образ гиганта Годзиллы, включая уменьшенные модели, анимацию и компьютерное генерирование изображений (рис. 6).
В числе прочих использовались аниматронные модели различных размеров, масштабом 1:6 и 1:24. Движения головы и тела Годзилла, управляемые дистанционно, были сняты на камеру с помощью уменьшенной модели, которая сочеталась с пропорционально выполненными миниатюрными зданиями. Для крупных планов использовались модели головы, туловища и лап, уменьшенные в 6 раз.
Из приведенных выше примеров видно, что в современном кино используется комбинация анимационной и механической модели героя. Механическая модель используется в основном для съемок крупных планов, когда с помощью анимации невозможно добиться требуемого качества изображения. При этом моделируются отдельные фрагменты персонажа, например, голова или нога. Для воссоздания движений, как правило, используются несколько электрических приводов, с помощью которых по заданным законам могут перемещаться челюсти, глаза или голова персонажа.
Демонстрационные установки и роботы на выставках
Предлагаемая в главе 1 классификация существующих демонстрационных установок по качественным признакам позволяет при последовательном рассмотрении объекта по каждому из классификационных признаков дать его краткую, но по возможности полную характеристику. При анализе конкретной модели демонстрационного робота целесообразно следовать приведенному ниже алгоритму.
1. Определить назначение (область применения, уровень многофункциональности) робота. Как правило, роботами демонстрируется одна или ограниченное число функций, а в случае декоративных роботов - не одной. Область применения робота может быть как довольно узкой (например, выставочная ячейка для стационарного робота-гида), так и весьма широкой. Рассмотренный выше антропоморфный робот «Р2» «Honda», например, можно отнести одновременно к классу рекламных, выставочных и домашних роботов.
2. Установить, является ли робот мобильным или стационарным, имитирующим человека, животных или не имеющим определенных прототипов. Мобильный робот может самостоятельно перемещаться по жестко заданной (рельсовый путь) или свободной траектории. В последнем случае способ перемещения робота определяет его кинематику и тип системы управления.
3. Выявить тип базовой кинематической схемы. Прототипом антропоморфного робота может являться часть тела - кисть руки, голова, торс и т.д. В отличие от большинства антропоморфных, зооморфные роботы в основном моделируют различные способы перемещения - на 2-х, 4-х, 6-ти ногах или вовсе без ног (робот-змея, Университет города Нагойа, Япония).
4. Определить число степеней подвижности и преобладающий тип кинематических пар. Число степеней подвижности опосредованно характеризует общий уровень сложности робота, тип кинематических пар, в свою очередь, определяет выбор приводов звеньев робота.
5. Установить тип привода робота. Большинство антропо- и зооморфных роботов на сегодняшний день оснащаются вращательными электродвигателями постоянного тока с датчиками обратной связи. Однако все более широкое применение находят пневматические и электрические двигатели поступательных перемещений, которые внешне и по принципу действия схожи с мышцами и не требуют дополнительной маскировки. Привод может быть комбинированным. 6. Охарактеризовать компоновку и способ пристраивания приводов звеньев. Вращательные двигатели с редукторами обычно размещаются в узлах кинематических пар, в корпусе робота или закрываются декоративными кожухами. Вращательные двигатели чаще всего используются для разомкнутых кинематических цепей с последовательным соединением звеньев. Пневмо- или гидроцилиндры могут выполняться как закрытыми, так и открытыми и часто параллельно пристраиваются к звеньям (тогда каждое звено параллельно соединяется с неподвижным основанием).
7. Описать тип системы управления. В большинстве случаев применяется цикловая система управления, когда робот выполняет движения по жестко заданной циклограмме. Программирование осуществляется с контроллера или персонального компьютера. При этом имеется возможность оперативного изменения управляющей программы или ее замены. Адаптивные системы управления, когда робот с помощью средств технического зрения (видеокамер, ультразвуковых датчиков или др.) реагирует на изменения в окружающем пространстве и автономно принимает решение о своих действиях, чаще используются в сложных и дорогостоящих роботах для безопасного перемещения.
8. Оценить экстерьер робота, выяснить его прототип. Внешний облик робота может зависеть и не зависеть от окружающей обстановки. В первом случае, робот является частью определенной художественной композиции, при этом робот может иметь возможность изменения дизайна (одежды, декораций) в зависимости от темы композиции. Изолированные роботы, напротив, показываются отдельно и не предусматривают изменение внешнего вида в зависимости от обстановки.
9. Установить серийность робота и его стоимость. Робот может быть изготовлен индивидуальному заказу или на продажу для некоторого сегмента рынка. Стоимость робота может колебаться в широких пределах и в основном определяется ценой приводов и элементов системы управления. При индивидуальном заказе существенной составляющей стоимости робота является конструкторско-дизайнерская разработка.
Одной из наиболее известных моделей антропоморфного робота является «Терминатор» - главный герой одноименного фантастического фильма. Робот будущего, смоделированный по подобию человека, появляется в своем естественном облике без кожных покровов в заключительной части картины.
Общий вид «Терминатора» представлен на рис. 17. Робот имеет связанную кинематику, т.е. при совместной работе отдельных приводов его звенья воспроизводят сложные движения, близкие по траекториям к движениям человека. Это достигается большим количеством степеней подвижности, выполненных в виде вращательных пар. Так, механизм верхней части туловища робота (без головы) содержит 10 вращательных пар.
Скелет человека изображен на рис.18. Сравним основные пропорции «Терминатора» с пропорциями фигуры взрослого мужчины. Расхождения отчетливо видны зрительно. Оценим их количественно. По имеющимся изображениям «Терминатора» невозможно определить его абсолютные размеры, однако естественно предположить, что его рост равен росту прототипа актера Шварценнегера и составляет 180 см. Исходя из приведенных в табл.3 пропорций, определим размеры «Терминатора». Результаты представлены в табл.4.
Классификация демонстрационных устройств
На рис.24 изображена пространственная кинематическая схема верхнего пояса «Терминатора», дающая наглядное представление о возможностях движений робота. Каждая кинематическая пара обозначена тремя символами: номером пары, буквой П или В (П означает, что пара поступательная, В - что пара вращательная) и буквой х, у или z, показывающей, по какой из осей направлена ось кинематической пары. Кинематические пары 1-7 обеспечивают движения верхней конечности, 8-9 - головы, 10 - туловища робота.
Охарактеризуем основные недостатки кинематической схемы робота и сформулируем предложения по совершенствованию его кинематики.
1) Кинематическая пара 7Пу (рис.24), конструктивно представляющая собой поступательно перемещающийся в направляющих ползун, препятствует движению рук в плоскости ху. Учитывая, что гидроцилиндр 11 (рис.23) уже предусмотрен для выполнения данного движения, предлагается отказаться от пар 7Пу и бВх и добавить между парами 4Ву и 5Вх вращательную пару типа Bz.
2) Наклон туловища вперед-назад невозможен, так как два параллельных гидроцилиндра 13 расположены вертикально в плоскости xz. Расположением цилиндров с наклоном 20-30 к оси z можно обеспечить наклон туловища вперед и наклон с поворотом в сторону. Подобным образом расположены цилиндры 16, отвечающие за наклон и поворот головы. При этом к кинематической паре ЮВх необходимо добавить пару By, перемещения в соответствующих шарнирах должны обеспечиваться за счет подвижного сочленения в позвонке поясничного отдела позвоночника.
3) Отсутствует степень подвижности и приводы, отвечающие за поворот верхней конечности вокруг своей оси (вовнутрь и наружу). Предлагается ввести между парами ЗВх и 4Ву дополнительную пару Bz, с соответствующим поворотным приводом.
4) Отсутствуют приводы кисти руки, за исключением пары гидроцилиндров 6, отвечающих за перемещения по единственной степени подвижности кисти 1Ву. Отметим, что хорошая имитация кисти руки осложнена большим количеством степеней подвижности и соответствующих приводов с одной стороны и ограниченностью компоновочных размеров - с другой. Удовлетворительные результаты достигаются при использовании схемы кисти с 3 пальцами по 3 степени подвижности каждый.
Из приведенного выше анализа кинематики антропоморфного робота «Терминатор» видно, что хотя размещение и присоединение подвижных звеньев и приводов робота осуществлено с учетом особенностей строения скелета и мускулатуры человека, имеют место несоответствия между размещением и функциями отдельных приводов, связанные с упрощениями при моделировании кинематических связей в результате чего двигательные возможности далеко не соответствуют возможностям человека. Сформулированные выше рекомендации позволяют устранить эти недостатки.
Наряду с антропоморфными демонстрационными роботами, перемещающимися с помощью двух ног, существуют роботы, имитирующие способы перемещения на четырех и шести ногах, свойственные млекопитающим и насекомым. В 70-80-х годах было опубликовано много работ, посвященных шестиногим шагающим автоматам [29, 44, 61, 69], их разработкой занимались крупные научные коллективы.
Использование шести ног для движения по опорной поверхности дает ряд преимуществ перед другими способами «шагающего» перемещения (на 2-х и 4-х ногах): 1) Высокая мобильность и маневренность. За счет симметричного расположения опор при изменении направления движения не требуется разворота корпуса; 2) Устойчивость при воздействии боковых нагрузок; 3) Повышенная полезная нагрузка (равномерное распределение нагрузки на 6 опор); 4) Преодоление препятствий сравнимых по высоте с длиной ноги и движение по пересеченной местности; 5) Перемещение по лестнице, преодоление трещин и завалов.
Благодаря описанным преимуществам шестиногого способа перемещения, разработка шагающего транспортного шасси представляла большой практический интерес, связанный с возможностями его использования для перемещения диагностической аппаратуры в космосе, при авариях на атомных станциях, для разведки (в т.ч. военной) и др. [60, 64] В процессе создания таких автоматов изготавливались подвижные макеты, на которых отрабатывались возможности перемещения по пересеченной местности, маневров и преодоления препятствий. Эти макеты по сути являлись демонстрационными устройствами, демонстрировался новый в технике способ перемещения. Рассмотрим подробнее его особенности.
Способ движения на шести ногах характерен для большинства насекомых. Например, пауки для перемещения по поверхности последовательно используют две группы конечностей, по 3 ноги в каждой (рис. 25). В тот момент, когда конечности 1, 3, 5 отрываются от опорной поверхности и переносятся, конечности 2, 4 и 6 остаются в контакте с поверхностью. При следующем шаге синхронно перемещаются конечности 2, 4, 6, а корпус поддерживают конечности 1, 3 и 5 и т.д. На рис.25 схематично изображены два последовательных шага насекомого. Перемещающиеся конечности выделены жирной линией. Начальное положение конечности выделено пунктирной, а конечное - сплошной линией.
Сопоставление строения тела человека с механизмом антропоморфного демонстрационного робота
В тех случаях, когда первоначальная форма произвольна, но деформации относительно нее малы, необходимо использовать линейную теорию изгиба криволинейных брусьев [87]. В обоих случаях дифференциальные уравнения изгиба являются линейными, что значительно облегчает их решение (аналитическое или численное).
Однако применительно к рассматриваемым задачам создания демонстрационных роботов с гибкими звеньями результат оказывается наиболее выигрышным тогда, когда первоначальная форма изменяется значительно и перемещения велики. В этих случаях задача математического моделирования и представления на экране различных положений гибкой руки или хобота требует решения нелинейных дифференциальных уравнений больших деформаций нерастяжимых или растяжимых изогнутых стержней [75]. Решение осложняется еще и тем, что задача является краевой, т.е. граничные условия задаются не на одном конце, а на обоих концах средней линии. Поэтому все численные процедуры должны строиться на последовательных прогонах с одного конца до другого и обратно.
В статике из приложенных сил нужно учитывать только силы и моменты на концах и распределенные силы тяжести. Для последнего варианта, когда между концами нет сосредоточенных сил и моментов, записывается одна система уравнений, если же посередине прилагаются силы и моменты от двигателей, то руку необходимо разбивать на участки, записывать несколько систем уравнений и получаемые решения сопрягать в указанных точках. В последнее десятилетие подобные и более сложные задачи решаются преимущественно методом конечных элементов [83]. Применительно к упругим криволинейным стержням и брусьям наиболее известными являются специализированные программы «Katya» и «ABAQUS».
Могут ставиться и решаться как задачи анализа, так и задачи синтеза. В задаче анализа задаются характерные точки, для них строятся кривые - средние линии. В задачах синтеза из тех или иных соображений строятся желаемые кривые, а затем выбором параметров осуществляется приближение. Строгий подход к выбору требуемых кривых невозможен, поскольку если за основу брать форму руки (ломаную), то все равно приближение гладкой кривой будет плохим. Тем не менее, должен быть обеспечен некоторый минимальный уровень правдоподобия. Применительно к хоботу и к руке должны использоваться разные подходы. Хобот должен моделироваться гладкими кривыми. . Основные варианты формы средней линии хобота представлены на рис.56.Чаще всего гладкие формы оказываются не слишком сложными: или кривизна не меняет знака, или изменяет знак один раз, причем где хобот толще, там радиус кривизны больше. Если имитируется змея, то почти по всей длине кривизна может изменяться примерно в одних и тех же пределах.
Рассмотрим задачи применительно к упругой руке. При решении задач синтеза для заданной траектории конечной точки можно варьировать следующими факторами: - длиной средней линии в ненапряженном состоянии; - упругостью по отношению к растягивающему усилию (она может быть или постоянной, или переменной по длине); - изгибной упругостью; - начальным изгибным деформированием средней линии; - способом соединения руки.
Для шарнирно-рычажного механизма, каковым является рука, предлагается следующий подход. Для некоторых характерных положений задается ломаная в соответствии с представлением о естественности позы. Если движение осуществляется с остановками, то эти положения желательно выбирать совпадающими с ними, поскольку именно конфигурации статические или при мгновенной остановке наиболее отчетливо воспринимаются зрительно. Затем ломаные аппроксимируются гладкими кривыми, и перечисленные параметры определяются из условия наилучшего приближения.
Однако на начальных стадиях, при отработке по результатам математического моделирования целесообразно использовать типовые аппроксимации средней линии. Сначала рассмотрим только плоскую задачу. Если первоначальная форма средней линии прямолинейна или слабо искривлена, а жесткость достаточно велика, так что распределенная сила тяжести не слишком сильно влияет на форму, то приемлемые результаты на плоскости дает аппроксимация кубичными полиномами Безье. В этом случае уравнения кривой в параметрической форме задается в виде: X(t)= Aot3 + Ait2(l) + A2t(l)2 + A3(l)3 Y(t)= B0t3 + Bit2(l) + B2t(l)2 + B3(l)3 где t - переменный параметр, изменяющийся в пределах (0,1); Aj и В; - коэффициенты, постоянные для определенной конфигурации (для заданного положения конечной точки).
Обычно задаются координаты начальной и конечной точек и направления касательных в этих точках. Руководствуясь экспертными оценками, можно визуально подобрать приемлемую кривую для одного определенного положения объекта. Далее с помощью стандартной программы «Mathcad» рассчитывается длина средней линии для этого положения.
Кратко охарактеризуеммзадачу подбора параметров гибкой руки, когда задана траектория переноса объекта, без учета изменений углового ориентирования. Предположим сначала, что траектория переноса объекта -прямолинейна, на этой траектории заданы крайние точки. Необходимо рассмотреть два предельных случая:
1) Изгибная жесткость мала, форма средней линии определяется исключительно силами веса. Очевидно, что подобная модель пригодна только для случаев, когда рука является пассивной, а перемещение объекта задается независимыми приводами. В этом случае для определения формы целесообразно использовать хорошо разработанную теорию тонких нитей или цепей [86]. При однородности по массе и нерастяжимости (жесткость на растяжение достаточно велика) кривая представляет собой цепную линию, ее кривизна не меняет знака и максимальна в точке аналитического минимума. Граничные условия задаются только по двум координатам, а форма является плоской (кривая - в вертикальной плоскости, проходящей через граничные точки). При малых прогибах кривая хорошо аппроксимируется окружностью или параболой. Представляется, что такая форма не очень подходит для аппроксимации средней линии. Особенно неудачным может быть сопряжение руки с кистью (рис.57 а)). Эту трудность можно преодолеть разными способами: или сделать кисти самоустанавливающимися (по касательным в конечных точках), использовать для крепления конечных частей заделку или сделать их повышенной изгибной жесткости. Механизм руки может иметь переменную массу по длине, однако это не меняет качественной картины.
2. Основную роль играет изгибная жесткость, а роль распределенной силы тяжести незначительна. В этом случае необходимо записывать дифференциальное уравнение изгиба, форма в этом случае является пространственной, все зависит от граничных условий и первоначального изгиба. В плоскости при малых прогибах такие кривые хорошо аппроксимируются полиномами Безье. Кривая может сохранять знак кривизны, но может и иметь одну точку перегиба. При первоначально прямолинейной форме больше одной точки перегиба быть не может. Чтобы получить большее число точек перегиба или существенные изменения формы, нужно использовать начальный пластический изгиб. Растяжение незначительно изменяет форму, но придает значительное своеобразие.
