Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Области применения демонстрационных роботов и их классификация
1,1 Демонстрационные автоматы в литературе прошлого и в настоящем
1.2. Демонстрационные устройства в современном театре 15
1.3. Демонстрационные устройства в кино 21
1.4. Рекламные роботы и хобби-роботы 22
1.5. Классификация демонстрационных устройств 27
1.6. Постановка задач исследования в диссертации 31
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Разработка методологии проектирования демонстрационных роботов
2.1. Комплекс наук, как основа для проектирования демонстрационных роботов
2.2. Методология анализа реализованных демонстрационных автоматов
2.3. Подходы к программированию движений антропоморфного демонстрационного робота и управления движением
2.4. Типовые приемы, используемые при переходе от прототипа к антропоморфному демонстрационному роботу
2.5. Анализ схемы и конструкции робота объединения «Новая эра» 52
2.6 Предложения по способам представления антропоморфных демонстрационных роботов
2.7. Принципы построения, способы встраивания и пристраивания приводов в механизмы демонстрационных роботов
2.8 Метод присоединения приводов к объекту демонстрации 70
2.9. Возможности реализации гибких звеньев демонстрационных роботов
2.10. Задачи и методы расчета упругих элементов демон страцион- 82 ных роботов
2.11. Задачи динамики демонстрационных роботов 86
Выводы по главе 2 92
Глава 3. Разработка демонстрационных роботов с прототипами восточно-азиатского региона
3.1 Общие принципы построения кинематических схем антропо-морфных демонстрационных роботов
3.2. Выбор схем демонстрационных роботов, воспроизводящих позы и движения человеческих фигур в традициях буддизма
3.3. Исследование кинематики антропоморфных демон страционных роботов
3.4. Исследование динамики антропоморфных демонстрационных роботов
Выводы по главе 3 133
Заключение 135
Публикации автора по теме диссертации 138
Использованная литература 139
Приложения
- Демонстрационные устройства в современном театре
- Классификация демонстрационных устройств
- Методология анализа реализованных демонстрационных автоматов
- Выбор схем демонстрационных роботов, воспроизводящих позы и движения человеческих фигур в традициях буддизма
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Понятие «демонстрационные роботы» было введено в серии публикаций, появившихся в последние годы [58, 59, 91, 133], в СПбГПУ в 2002 году по теории демонстрационных устройств, в первую очередь, роботов, была защищена кандидатская диссертация [57]. К демонстрационным роботам относятся механические устройства, подвижные или с подвижными составными частями, с автоматическим управлением, которые не выполняют никаких производственных функций, а демонстрируют или сами себя, или другие объекты. Демонстрационные роботы широко используются в рекламе, для привлечения внимания на выставках, в сфере развлечений, в парках и аттракционах, в кинематографии и на телевидении при имитации необычных живых существ. Работающие демонстрационные устройства, стенды или демонстрационные установки также с успехом используются как тренажеры (в том числе и интеллектуальные) для обучения или тренировки персонала, или при технической отработке больших, сложных и дорогостоящих технических средств (например, роботов-планетоходов). Новая область применения демонстрационных роботов, больших движущихся фигур, относится к механическому оснащению сцены. Во всех этих технических устройствах интегрируются достижения механики и электроники, поэтому проблематика их создания может быть отнесена к мехатронике.
Демонстрационная техника часто строится на средствах электроники, в этих случаях движущиеся изображения создаются на экранах (экранах электронно-лучевых трубок, многоэлементных панелях, дисплеях типа бегущей строки и пр.). Однако этих средств далеко не достаточно для обеспечения действенности и выразительности демонстрации. Стенды с реальными устройства-
ми или макетами, в которых реализуется настоящее, механическое движение, оказываются незаменимыми.
Основными отличительными чертами демонстрационных роботов являются наличие не слишком простых механизмов, движение составных частей механизмов (реальное, физическое, а не лишь видимое движение изображений на экране), ориентация на зрительное восприятие; как и для других типов роботов другого назначения целесообразно придание свойств регулируемости и перена-лаживаемости. Исторический опыт показывает, что всегда был активный интерес к автоматам, которые не предназначались для утилитарных целей, не выполняли никаких производственных функций, а лишь демонстрировали сами себя или другие объекты, либо служат просто для развлечения. В течение многих веков такие роботы параллельно существовали, с одной стороны, в воображении, в виде фантомов в фольклоре и литературе, а с другой - реально, в виде заводных игрушек или механических автоматов; предназначались они в большей степени для взрослых, а не для детей. Известно, что широкое распространение реальные механические автоматы (с заводными пружинами, иногда с очень сложными механизмами) получили во второй половине XVIII и в начале XIX века в связи с развитием точной механики. В некоторых странах, например, в Японии реализуется большая национальная программа по созданию демонстрационных роботов, предназначенных для того, чтобы скрашивать жизнь и развлекать больных и престаралых. 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.
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, пока польза не очевидна, все эти роботы являются демонстрационными.
В роли демонстрационных могут выступать настоящие промышленные роботы, когда они на выставках не выполняют реальные производственные функции, а, например, играют в шахматы, переставляя фигуры. Первые модели роботов, которые называли промышленными, но сначала не находили применение на производстве, а преимущественно экспонировались на выставках, по существу были демонстрационными.
Также по существу демонстрационными являются окончательно не отработанные роботы космического назначения, которые пока еще не могут выполнять полезные операции и др. В последние годы демонстрационные роботы, пока еще достаточно простые, все чаще появляются на сценах оперных и драматических театров.
В распространении демонстрационных роботов по разным странам наблюдается значительная неравномерность, что объясняется в первую очередь различием (на порядки) объемов финансирования этого направления. Однако существенным фактором является степень привлекательности разрабатываемых образцов. Представляется, что для многих стран привлекательность, а, следовательно, и потенциальный рынок зависит от соответствия типажа и дизайна демонстрационных роботов регионально-культурным, национальным и религиозным традициям. В полной мере это относится к Бурятии, где в ряде организаций разворачиваются работы по данной тематике.
Во всех случаях при разработке внешних форм любого демонстрационного робота обычно значительное место принадлежит дизайнерам. С другой стороны, современный демонстрационный робот представляет собой автоматически управляемую систему, часто с совершенным компьютерным устройством управления. Однако есть все основания считать, что все же чаще всего основная проблематика создания демонстрационных роботов заключается в механике, начиная с выбора рациональных кинематических схем, и кончая созданием систем автоматического управления.
Несмотря на широкое распространение демонстрационных роботов и видимые достижения в создании отдельных образцов, они оказались вне поля зрения робототехники, как науки. Поэтому задача создания научных основ проектирования демонстрационных роботов и опробования разрабатываемых методик и конкретных разработках с учетом национальной и региональной специфики типажа представляется актуальной.
Цель диссертации заключается в создании научных основ расчета и проектирования механизмов некоторых групп демонстрационных устройств, а именно нового класса роботов - демонстрационных роботов и в использовании разработанных методик для создания образцов в традициях народов Юго-Восточной Азии.
Для достижения сформулированной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи:
- систематизация собранных сведений об областях применения демонстрационной техники, об истории замыслов и создания различных демонстрационных роботов;
анализ типажа существующих демонстрационных устройств и построение многоаспектной, возможно более полной их классификации по многим признакам;
определение специфики требований к демонстрационным роботам, их конструкциям и устройствам управления, исходя из обобщения опыта их создания и использования;
разработка методики анализа спроектированных и изготовленных демонстрационных роботов;
установление принципов и способов стыковки механизмов демонстрационных роботов с двигателями приводов;
формулирование новых подходов к анализу динамики движений демонстрационных роботов, основанных на экспертных оценках;
исследование возможностей построения демонстрационных роботов, выбор прототипов, внешнего вида, позы и воспроизводимых движений на базе сложившейся образной системы народов Восточной и Юго-Восточной Азии;
обоснование выбора числа степеней свободы, расположения осей кинематических пар и законов управления движением демонстрационных роботов, обладающих указанной спецификой;
разработка математических моделей динамики демонстрационных роботов;
отработка на математических моделях и по результатам анимации нескольких типов демонстрационных роботов.
На защиту выносятся следующие основные положения: - автоматы, предназначенные исключительно для демонстрации, а не для выполнения производственных функций, многочисленны, известны по описаниям и должны стать предметом серьезных научных исследований;
основной отличительной особенностью демонстрационных установок, в первую очередь, демонстрационных роботов, которые целесообразно выделять в самостоятельную группу машин с автоматическим или автоматизированным управлением, является наличие управляемых механизмов с приводами, задающих программные движения, и ориентировка исключительно на внешнее зрительное восприятие;
демонстрационные роботы, которые демонстрируют сами себя, целесообразно строить, опираясь на статические изображения традиционного и религиозного искусства, в зависимости от этого задается общий облик, выбираются прототипы, принципиальные и схемные решения;
- требования к демонстрационным роботам существенно зависят от
исходного замысла и отчетливо разделяются на группы требований к общему
облику и экстерьеру, к геометрии перемещений, к кинематике механизмов, к
приводам и к устройствам управления;
- использование разработанной классификации позволяет структурировать
базы данных (прототипов и их типовых элементов), необходимые для организа
ции эффективного автоматизированного проектирования демонстрационных
устройств;
к числу наиболее распространенных относятся антропоморфные и зооморфные демонстрационные роботы, при их проектировании целесообразно опираться на данные о построении скелетов и расположении мышц живых организмов;
одной из наиболее перспективных является задача проектирования демонстрационных роботов, оживляющих статические изображения людей, богов и животных в стилистической системе восточного региона;
размещение приводов демонстрационных роботов может быть различным: последовательно по кинематическим парам (встроенные двигатели), параллельно по кинематическим парам (пристроенные двигатели), на неподвижном основании (при использовании передач с помощью тросов по звеньям механизма), на выходном звене (весь механизм выполняется пассивным);
в конструкциях антропоморфных и зооморфных демонстрационных роботов использование гибких звеньев вместо многозвенных цепей (например, позвоночника) позволяет уменьшать число степеней свободы манипулятора при сохранении общего правдоподобия;
при оценке динамических процессов в демонстрационных роботах предпочтение отдается критериям, воспринимаемым зрителем визуально, а именно, такими критериями являются: согласованность движений по степеням подвижности, время и амплитуда перемещения, закон изменения скорости;
- приведенные примеры демонстрационных роботов, для которых обосно
ваны и проработаны кинематические схемы и осуществлена компьютерная
анимация, подтверждают правильность разработанных методик их проектиро
вания.
Основной материал диссертации разбит на 3 главы.
Первая глава посвящена аналитическому обзору истории и современного состояния демонстрационной робототехники. В качестве областей, где демонстрационные роботы получили наибольшее распространение, выделяются киноиндустрия, машинерия театра, выставочно-презентационная техника, реклама, оснащение тренажеров. Констатируется, что желательно, чтобы в Восточном регионе демонстрационные роботы по внешнему виду, принимаемым позам и характеру движений соответствовали национальным и религиозным традициям и отражали влияние великих цивилизаций Востока. Предлагается многоас-
пектная классификация существующих демонстрационных роботов по различным признакам. По результатам анализа существующего положения и перспектив формулируются основные задачи исследования в данной диссертации.
Поскольку демонстрационные роботы до сих пор не являлись объектом научного анализа, в начале второй главы определены смежные области, достижения в которых должны быть интегрированы в теории демонстрационных роботов, определена специфика проводимого для них математического моделирования. Далее представлена предлагаемая методология анализа существующих демонстрационных устройств, основывающаяся на приведенной в главе 1 классификации. Подробно рассматривается кинематика антропоморфного робота, проводится детальный сравнительный анализ конструкции робота со скелетом и мускулатурой человека, выявляются недостатки его конструкции и формулируются предложения по ее модернизации с целью увеличения рабочей зоны.
Третья глава посвящена конкретным разработкам антропоморфных демонстрационных роботов, представляющих соответственно сидящую, стоящую и танцующую фигуры буддийских божеств, многорукое индийское божество, китайского дракона и учителя восточных единоборств. Обосновывается выбор различных вариантов кинематических схем и законов управления. По результатам численных расчетов на разработанной математической модели получены рекомендации относительно выбора геометрически параметров и законов управления.
Основные выводы и рекомендации по диссертации сформулированы в Заключении. Список литературы насчитывает 170 наименований.
Все основные результаты исследований, проведенных в диссертации, опубликованы в шести работах, по материалам диссертации было сделано 5 докладов на всероссийских научно-технических конференциях в Бурятском государственном университете (Улан-Удэ) и семинарах кафедры «Автоматы» СПбГТУ.
Демонстрационные устройства в современном театре
Во все времена в центре внимания зрителей любого театра был исполнители-актеры. Оформление сцены играло различную роль на разных этапах истории театра. Многое зависело от размеров сцены, от оснащения, технических и финансовых возможностей. Роль и уровень технического оснащения сцены значительно возросли в XVII веке. Специальные машины, правда приводимые в движение вручную, позволяли действующим лицам улетать вверх, спускаться с небес или проваливаться вниз. Довольно сложные механизмы приводились в движение за счет мускульной силы рабочих сцены еще в XIX веке.
В течение XVIII - XIX веков в использовании сложной машинерии ведущим был музыкальный, оперно-балетный театр. Экзотические сюжеты требовали эффектных изобразительных средств, элементы которых могли бы поразить воображение. Постановки стоили очень дорого. В выстроенных начиная с двадцатых годов театральных зданиях европейских столиц большие сценические площадки с приспособлениями и устройства: подвижные кулисы, несколько занавесов, люки. Появились возможности установки быстрого подъема сложных многоплановых рисованных и пластических декораций, объемных сооружений на переднем плане. Статика сценического оформления, нередко весьма совершенная, не всегда устраивала постановщиков. В сценах прибытий, встреч, отъездов, торжественных шествий понадобились динамичные, подвижные элементы сценического оформления: макеты экипажей, лодок, кораблей. Помимо актеров и статистов на сцене появлялись животные, чаще всего лошади.
Но к тому же объективно возникла потребность в роботах. Например, очевидно, что роботу подходит роль Статуи Командора в различных театральных версиях легенды о Доне Жуане. Своего рода роботом является Живая Голова в опере «Руслан и Людмила». Очевидна потребность в сложном техническом оформлении таких опер, как «Волшебная флейта» и других произведений с волшебными и сказочными персонажами, такими, как дракон, рыба-кит. Некоторые животные, например, живые слоны, практически могли появляться только в уникальных постановках, в большинстве случаев их заменяли муляжи, иногда с некоторыми подвижными элементами, при этом отчасти использовался опыт кукольного театра. В первой половине XX века сюжеты реалистичных постановок чаще становились камерными, значительное внимание уделялось максимально точному бытовому правдоподобию, чудесам не стало места на сцене театра. Здесь пути театра и кино разошлись. В кино с самого его зарождения понадобились невозможные в настоящей жизни эффекты, например, вполне благополучные падения с огромной высоты, перемещения с огромной скоростью, подъем больших масс и т.д. Но кинокамера при использовании техники комбинированных съемок позволила совмещать в одних и тех же кадрах реальность и иллюзию, стали широко применяться различные методы комбинированных съемок, позволявшие далеко выходить за пределы правдоподобного, а в театре эпизоды, требующие особой техники, стали вообще выноситься за пределы сцены.
В театре в XX веке прогресс в техническом оснащении сцены выразился преимущественно в широком применении нерегулируемого, а затем и регули руемого мощного электропривода, включаемого и выключаемого оператором. / Ці Важным техническим достижением середины века для машинерии театра была поворотная сцена с электроприводом, позволяющая быстро изменять декорации. Кроме того, были разработаны способы быстрой сборки конструкций декораций. В 60-х и 70-х годах была тенденция максимального упрощения сценического оформления, которое сводилось к необходимой мебели на авансцене, лаконичной орнаментально-символической фигуре на заднике и одноцветным, обычно черным полотнищам кулис. Все недостающее должно было восполняться воображением зрителей.
В последние годы положение сильно изменилось. На сцене все чаще стали появляться как просто пассивные объекты из мира техники (например, стоящие автомашины), так и технически достаточно сложные устройства и комплексы, которые с полным основанием можно отнести к демонстрационным роботам. Ниже приведены примеры последних постановок Марии некого театра (С-Петербург).
Новые тенденции обогащения зрительного ряда в первую очередь проявляются в богатстве, а часто экстравагантности костюмов (постановка балета «Щелкунчик» по рисункам Шемякина). В постановке Мари и некого театра спектакля «Борис Годунов» (2002 г.) демонстрационные устройства применяются в двух кульминационных сценах. В сцене помешательства Бориса Годунова из-под потолка с высоты 24 м опускаются 12 куполов, выполненных из прозрачного стеклопластика, диаметром от 1,5 до 3 м. Одновременно внизу по сцене на колесных шасси хаотично двигаются и вращаются 7 куполов диаметром от 1,5 до 4,5 м, управляемые операторами по радиосвязи. Каждый из куполов освещается мощными прожекторами изнутри и снаружи, чем достигается эффект их свечения. В другой сцене, сцене гибели Бориса Годунова на него сверху медленно опускается гигантский механический восьминогий паук, перебирающий длинными изогнутыми ногами. Каждая из ног приводится в движение отдельным электроприводом, все приводы управляются контроллером. Когда паук достигает сцены, его ноги сводятся, как бы захватывая актера; в прозрачном корпусе как бы бурлит красная жидкость, напоминающая кровь.
Классификация демонстрационных устройств
Один из вариантов классификации демонстрационных роботов представлен в диссертации И.С.Знаменского [57]. Эта классификация является многоаспектной, т.е. классифицирование осуществляется по нескольким независимым признакам. Представляется, что на новом этапе проработки тематики основные принципы классифицирования нужно сохранить, внеся однако некоторые важные концептуальные изменения. Представляется первостепенным то обстоятельство, что, с одной стороны, демонстрационный робот представляет собой автоматическую машину с обычными техническими показателями (и в этом аспекте он не отличается принципиально от других роботов), а с другой стороны, облик и движения демонстрационного робота рассчитаны исключительно на восприятие зрителя (и в этом аспекте констатируется определенная близость с произведениями прикладного искусства). Целесообразно осуществлять классифицирование независимо по этим двум направлениям, учитывая различные традиции. При разработке классификации демонстрационных роботов целесообразно использовать опыт промышленной робототехники. Стандартизованная классификация промышленных роботов представлена в ГОСТ 25685-83 Роботы промышленные. Классификация. Его дополняет ГОСТ 4.480-87 СПКП. Роботы промышленные. Номенклатура основных показателей,, и ГОСТ 25686-85 Мани-пуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения. Основные положения этих стандартов отчасти могут быть распространены на демонстрационные роботы. Так роботы могут быть универсальными, специализированными и специальными; привод роботов может быть электромеханическим, пневматическим, гидравлическим или комбинированным, система управления может быть цикловой, позиционной, контурной, адаптивной или интеллектуальной. Важным показателем является число степеней подвижности механизма, определяемое числом независимых приводов. Но большинство позиций, например, относящихся к рабочей зоне, рабочему пространству и к показателям точности для демонстрационных роботов интереса не представляет. С другой стороны, возникают новые показатели, нетипичные для промышленных роботов.
Основной является классификация по второму направлению, отражающему аспект конкретного назначения и представления общего вида и взаимодействия составных частей. Классификационная схема представлена на рис. 1.1. Ниже по номерам классификационных признаков кратко охарактеризованы наиболее распространенные варианты этих признаков.
1. Объектом демонстрации может быть сам демонстрационный робот вне зависимости от того, какой вид он имеет, или объект демонстрации может быть вне робота. Робот может демонстрировать малые объекты (например, драгоценности), большие подвижные или неподвижные объекты (машины, сооружения), интерьер помещения и пр.
2. При демонстрации можно обращать внимание на различные объекты, процессы и их качественные показатели. При демонстрации одежды обращается внимание исключительно на внешний вид объектов демонстрации. При демонстрации танца или спортивных движений антропоморфных роботов обращается внимание на правильность и выразительность статических поз, точность перехода из одних поз в другие, а иногда точную координированность и красоту движений. Когда демонстрационная установка изображает техническую систему, иногда нужно демонстрировать согласованность или синхронность выполнения одних и тех же операций разными устройствами или элементами, возможность выполнения сложных движений и т.д.
3. Взаимосвязь робота с окружающей средой может проявляться в разной степени. В частности, робот может быть изолированным, тогда обычно он помещается в нейтральную среду или на нейтральный фон, которые не отвлекают внимания. Совершенно другая ситуация, когда демонстрационный робот является одним из участников совместного действия, например, одним из действующих лиц театрализованной постановки. При этом он так или иначе должен взаимодействовать с другими роботами, машинами, или людьми. Характер взаимодействия может быть разным: совместное выполнение какой-нибудь общей задачи, оказание услуги и помощь, наоборот, соперничество или борьба.
4. Демонстрационные роботы делятся на несколько групп по назначению, среде функционирования или сферам применения. Например, выделяют роботы для кинематографии, выставок или так называемые «домашние» роботы. Каждая группа роботов имеет ряд характерных признаков, которые ниже рассматриваются более подробно.
5. У демонстрационных роботов обычно имеется прототип. Прототип для демонстрационных роботов понимается в широком смысле: «на кого он похож» или «что хочет воспроизводить». Соответственно, робот может быть похожим на определенное животное, на человека и имитировать его фигуру (целиком или только часть, например, торс, голову, только одну руку), на животное, на известный фантастический персонаж, на какую-то машину, на робот, известный по кинофильмам или телевизионным передачам. В любом случае, прототип определяет тип кинематической схемы робота.
Методология анализа реализованных демонстрационных автоматов
Как отмечалось в главе 1, материалы по конкретным демонстрационным роботам разрозненны, фрагментарны и не всегда достоверны, а сами демонстрационные роботы, как объекты аналитического исследования, необычны. Поэтому объективный и разносторонний анализ данных требует использования специально отработанной методологии. Предлагаемый общий подход к созданию методики основан на использовании классификации, приведенной в п. 1.5. При анализе материалов по конкретной модели демонстрационного робота предлагается такая последовательность: 1.Определение назначения робота: область применения, конкретные функции и уровень многофункциональности. Область функционирования робота может быть как довольно узкой (например, выставочная ячейка для стационарного робота-гида), так и весьма широкой; в последнем случае робот рассматривается как многофункциональный (в промышленной робототехнике такие роботы квалифицируются, как универсальные). 2.Установление того, является ли робот мобильным или стационарным, имитирующим человека, существующих или несуществующих животных и машин, а также не имеющим определенных прототипов. Антропоморфный или зооморфный робот может изображать только часть тела: верхнюю половину, кисть руки, голову, торс, ноги и т.д. В отличие от большинства антропоморфных, зооморфные роботы (например, структурно напоминающие насекомых) иногда воспроизводят различные способы перемещения. 3.Выявление базовой кинематической схемы механизма или механизмов, определение числа степеней подвижности, число разомкнутых кинематических цепей (каждая из этих цепей может относиться к конечности, руке или ноге), типы и виды кинематических пар, расположение их осей. Число степеней подвижности опосредованно характеризует общий уровень сложности механизмов робота. Тип кинематических пар, в свою очередь, определяет выбор приводов звеньев робота, двигателей и передач.
Установление типа приводов робота и оценка их основных технических характеристик. Большинство антропоморфных и зооморфных роботов на сегодняшний день оснащаются вращательными электродвигателями постоянного тока, в более совершенных моделях с датчиками углов поворота и тахогенераторами. Однако все более широкое применение находят линейные пневматические и электрические двигатели поступательных перемещений, которые внешне и по принципу действия схожи с мышцами и не требуют дополнительной маскировки. Представляется перспективным использование пневмомускулов, построенных на надуваемых сжатым воздухом армированных упругих оболочках; они выпускаются некоторыми фирмами серийно [33]. Приводы могут быть комбинированными, например, электропневматическими
Анализ компоновки и способа включения в- конструкцию 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 включаться в конструкцию как закрытыми кожухами, так и открытыми и часто параллельно пристраиваются к звеньям (тогда каждое звено параллельно соединяется с неподвижным основанием). Способы включения двигателей в конструкции демонстрационных роботов далее рассматриваются подробно в п. 2.7.
Определение характера движений и установление и описание типа системы управления. Самые простые, примитивные демонстрационные устройства могут не иметь устройств управления, в этих случаях механизмы работают от неуправляемого двигателя. Таковы в большинстве случаев заводные игрушки. В большинстве более сложных случаев применяется цикловая система управления, когда звенья робота выполняют движения по жестко заданной циклограмме от одного задаваемого положения до другого. Программирование и отработка программы осуществляется от контроллера. При этом имеется возможность оперативного изменения управляющей программы или ее замены. Если важно перемещаться по определенным траекториям при требованиях к законам изменения скоростей (например, плавный разгон) реализуется контурное управление, при котором программируются и отрабатываются задаваемые законы изменения обобщенных координат. Особую группу составляют развлекательно-игровые роботы с ручным или автоматизированным управлением, например, для игры в футбол. Адаптивные и интеллектуальные системы управления, когда робот с помощью развитой сенсорики, средств технического зрения (видеокамер), ультразвуковых датчиков и др. реагирует на изменения в окружающей среде и автономно принимает решение о своих действиях, общается с человеком, чаще используются в сложных и дорогостоящих роботах.
Выбор схем демонстрационных роботов, воспроизводящих позы и движения человеческих фигур в традициях буддизма
В произведениях религиозной скульптуры, живописи и графики буддизма и его ветви - ламаизма, представленного в Бурятии, наиболее распространены позы фигур божеств, описанные ниже. По ним с большей или меньшей вероятностью делаются выводы относительно движений, которые должны совершать демонстрационные роботы соответствующего облика.
Особенностью пластики фигур в буддизме является то, что наибольшее внимание привлекает движение рук. Голова рассматривается, как единое целое, мимика, иногда очень выразительная, а часто гипертрофированная, статична, так что лицо представляет собой по существу маску. Позы значительной части образцов фигур (скульптурных, живописных) симметричны и абсолютно спокойны. Такова повторяемая во множестве вариантов фигура Будды в нирване. Подобные изображения трудно принимать за прототипы для динамичных демонстрационных роботов, поэтому они исключаются из рассмотрения.
Исходить из симметричных поз возможно, но только в тех случаях, когда имеется не одно изображение, а несколько, в последовательные интервалы времени. Достаточно полную информацию дают кадры кинограммы. Этот подход последовательно развит в п. 3.4.
Напротив, резко асимметричные фигуры позволяют легко домысливать движение даже только по одной позе. При наличии несимметрии элементов фигуры естественно предположить, что изображено одно из крайних положений (поскольку именно в крайних положениях происходит мгновенная остановка или даже выстой, и это фиксируется глазом наблюдателя). Отсюда открывается такая идея построения движений: переход от изображенной позы в зеркально-симметричную. При этом сам процесс перехода и промежуточные фазы не регламентируются. По сопоставлению двух зеркально симметричных поз будут определяться необходимое число степеней подвижности и диапазоны углов поворота по степеням подвижности. Пример приведен на рис. 3.1, где зеркально-симметричная поза изображена пунктиром. Можно синтезировать среднюю, промежуточную позу, которая будет симметричной. Однако это построение неоднозначно, и многое будет зависеть от детального представления о динамике движения.
Чтобы не отвлекаться на второстепенные детали, ниже приведены в качестве иллюстраций не сами исходные изображения, взятые из различных источников, а упрощенные, схематичные прорисовки.
1. Сидящая (обычно в позе лотоса) фигура Будды. Как отмечалось ранее, исходной следует считать статичную позу, она почти -полностью симметрична (рис. 3.2 а), кисти рук перед грудью. По этой позе трудно представить себе возможные движения частей фигуры. Оживление происходит по таким направлениям: наклон головы (обычно на левое плечо, как на рис. 3.2 б), движения кистей рук (варианты показаны на рис. 3.2 в), несимметричные положения каждого из предплечий или рук в целом (рис. 3.2 г), смещение всего торса и задание наклона плечевого пояса (рис. 3.2 д). К этому можно еще добавить некоторое разнообразие положения кистей рук, иногда в правой руке бывает огненный жезл. Нарис. 3.2 - везде пунктиром изображены зеркально-симметричные положения контуров, штриховыми линиями показана наложенная на изображение скелетная схема «несущей конструкции».
Для оценки возможностей построения демонстрационного робота во всех вариантах важно, что нижняя часть туловища и ноги неподвижны. На рис. 3.3 представлена предлагаемая кинематическая схема с передачей движения от неподвижного основания для общего случая, предусматриваются все перечисленные степени подвижности, за исключением относящихся к подвижности пальцев в кисти.
Имеется в виду, что, по-видимому, достаточно, чтобы движения торса, головы и рук в плечевых суставах происходили близко к вертикальной фронтальной плоскости. Все кинематические пары являются одноподвижными, с цилиндрическими шарнирами. Пара шарниров 1 и 2 дает возможность перемещать и наклонять плечевой пояс, шарнир 3 — задавать независимый от этого наклон головы в указанной плоскости. Плечевые шарниры 4 и 5 позволяют поднимать и опускать предплечье каждой руки. Для ограниченного набора разных движений шарниры 4 и 5 могут быть одностепенными, но желательно подбирать подходящий наклон осей. Однако для получения большей универсальности в смысле воспроизведения сложных движений плечевые шарниры должны быть двухстепенными (или вместо этого должно быть два одностепенных шарнира с перпендикулярными осями). Независимый от всего торса подъем плеч, как у человека, не предусматривается, для наклона всего плечевого пояса достаточно шарнира 2.
Локтевой сустав должен обеспечивать движение руки из плоскости, предполагается, что шарниры 6 и 7 с наклонными осями хотя и ограничивают свободу движений по сравнению с человеком, но достаточны для выполнения простых движений. Поскольку кисти рук для данного типа фигур особенно выразительны (на рисунке изображены заштрихованными эллипсами), в основании каждой кисти предусматривается по паре шарниров (соответственно 8 и 9, 10 и 11).
Таким образом, предусматривается всего 11 степеней подвижности механизма, что намного меньше, чем у человека.
Достаточно интересные процессы движения можно получить при меньшем числе степеней подвижности, например, сохраняя подвижность только одной руки, отказываясь от подвижности плечевого пояса, кистей рук или головы.
Стоящая на двух ногах фигура божества. Очевидно, что по отношению к сидящей фигуре нижняя часть туловища и кинематически подвижные ноги добавляют некоторые новые возможности, но конечно, несравнимо меньшие, чем подвижные руки в верхней части фигуры. Если представляется полностью стоящая фигура, то масштаб в целом укрупняется, и мелкие подробности, в первую очередь, положение пальцев в кисти становится малозаметными. Необходим предварительный анализ поз стоящей фигуры. Проведем такой анализ, рассматривая типовые позы в порядке усложнения.
Самой статичной является поза, когда фигура стоит прямо и равномерно опирается на две ноги, тазовый пояс горизонтален. Зрительно видимая динамика начинается тогда, когда тяжесть тела переносится на одну ногу, при этом тазовый пояс приобретает наклон, свободная нога может немного сгибаться в колене. Наклоны плечевого и тазового поясов обычно противоположны по направлению.
Такое достаточно простое движение является важной ступенью дальнейшего оживления фигуры. Поэтому предлагается жестко связывать с неподвижной опорой нижнюю часть аналога позвоночного столба. Кинематическая схема нижней части фигуры (тазового пояса и ног) представлена на рис. 3.4. Всего в схеме предусмотрено девять вращательных кинематических пар. Нумерация кинематических пар идет в продолжение схемы рис. 3.3 , на которой механизм верхней части фигуры имел 11 шарниров.
Наклон тазового пояса, кинематически представляющего собой коромысло, обеспечивает шарнир 12. Не предусмотрено вращение тазового пояса вокруг вертикальной оси. Обе ноги имеют три одноподвижньгх кинематических пары: шарниры 15 и 16 в тазобедренных суставах, шарниры 17 и 18 в коленных суставах, шарниры 19 и 20 в голеностопных суставах. Чтобы при наклоне тазового пояса плоскости перемещения звеньев ног оставались вертикальными и оси шарниров 15 и 16 были горизонтальными, введены два шарнира 13 и 14.
