Шаробот

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Шаробо́т (англ. Ballbot) — подвижный робот, использующий для передвижения единственное сферическое колесо (т.е. шар), и постоянно самобалансирующий на нём как в движении, так и в покое[1] [2] [3]. Благодаря единственной точке контакта с поверхностью, шаробот одинаково легко передвигается во всех направлениях, являясь чрезвычайно подвижным, манёвренным, и естественным в движениях, по сравнению с обычным наземным транспортом. Проектирование надёжных роботов с узкой колёсной базой, обладающих улучшенной манёвренностью в ограниченных, переполненных и динамичных средах (например узкие коридоры и заполненные передвигающимися людьми помещения) стало возможным благодаря наработкам в теме динамической стабильности в современной теории управления.

Общие сведения и основные свойства[править | править вики-текст]

Шаробот Rezero балансирующий на плоской поверхности. Характерными особенностями шаробота являются: шар, три электромотора, приводящие в движение балансировочные колёса и основной корпус, содержащий микропроцессор, блок инерциальных измерений, блок питания и батареи.

Исторически сложилось, что подвижные роботы создавались статически неподвижными, что приводило к экономии энергии при стоянии робота на месте. Обычно это достигается использованием трёх и более колёс прикреплённых к платформе. Роботы, построенные по этой модели, зачастую нестабильны при движении, что может быть компенсировано очень широкой колёсной базой и низким центром тяжести. Это сильно ограничивает применение таких роботов в обычной обстановке в присутствии людей, где не только интерфейс пользователя должен быть расположен на доступной высоте, но и подвижность робота затруднена узкими проходами, наличием большого количества препятствий, в том числе людей. Поэтому многоколёсные конструкции плохо приспособлены для работы в быстро меняющихся условиях среди двигающихся людей. Многоколёсные роботы не могут мгновенно сменить направление движения, а также не могут поворачиваться не сдвигаясь с места[4].

Шароботы решают вышеупомянутые проблемы используя для движения единственное сферическое колесо, управляемое исполнительными устройствами. Шароботы изначально неустойчивы и используют исполнительные устройства для поддержания себя в равновесии. Это также приводит к небольшим, но постоянным смещениям шаробота. Это неустойчивое, но стабильное состояние, называемое динамической стабильностью, намного более устойчиво к внешним воздействиям, например толчкам, нежели статическая стабильность. Это ещё более очевидно в высокоинерционных роботах, например с высокорасположенным центром тяжести[5].

Динамическая стабильность шаробота, в сочетании со сферическим колесом, которое уменьшает контакт с поверхностью до единственной точки, обеспечивает шароботам уникальные достоинства среди наземных транспортных средств. Шароботы всенаправлены и могут двигаться в любом направлении в любое время. Манёвренность шаробота ограничена только его динамикой, в отличие от механических ограничений, налагаемых колёсами (например невозможность движения боком). Шароботы обладают нулевым радиусом поворота[источник не указан 1081 день] и могут изменять направление движения без отклонения. Более того, шароботы наклоняются в сторону поворота для компенсации центростремительных сил, что приводит к очень плавным и элегантным движениям, сравнимым с движениями в фигурном катании[6]. Как следствие, шароботу одинаково легко стоять на одном месте и двигаться[7].

Другой интересной особенностью является неминимально-фазовое поведение шаробота. Для движения в любом направлении, шаробот должен наклониться в этом направлении для приобретения ускорения. Поэтому, для указания желаемого направления движения, шар должен быть кратковременно отклонён в противоположном направлении. По достижении заданной скорости, шаробот выпрямляется и далее двигается, сохраняя вертикальное положение. Менее очевидно что для торможения робот должен набрать дополнительную скорость, чтобы центр тяжести шара обогнал центр тяжести робота и позволил уменьшить скорость путём отклонения корпуса робота в сторону, противоположную направлению движения[6].

Применение шароботов[править | править вики-текст]

Шароботы обладают тремя уникальными характеристиками, каждая из которых открывает им ряд практических применений. Динамическая стабильность позволяет использовать шароботы в условиях большого количества толчкообразных помех. Примерами подобных условий являются корабли и поезда, а также помещения со скоплениями людей, такие как вокзалы, музеи и другие общественные учреждения. Всенаправленность шаробота и способность быстро изменять направление движения позволяет ему быстро двигаться в помещениях коридорного типа. Высокое расположение центра тяжести позволяет удобно расположить органы управления и интерфейс пользователя. На данный момент наиболее привлекательным видится использование шароботов для информирования людей в общественных учреждениях, в качестве ежедневного помощника или бытового робота, или в качестве игрушки. Стоит заметить, что шароботы являются объектом активных исследований и области их применения на данный момент ограничены.


Примечания[править | править вики-текст]

  1. Accent. Робот на шаре (рус.). IXBT.com (13 августа 2006). Проверено 11 декабря 2011. Архивировано из первоисточника 6 сентября 2012.
  2. insiderobot. Оригинальные конструкции роботов (рус.). http://insiderobot.ya.ru+(24марта 2008). Проверено 11 декабря 2011. Архивировано из первоисточника 6 сентября 2012.
  3. Робот на шаре (рус.)(недоступная ссылка — история). http://www.roboclub.ru+(2006-08-1). Проверено 11 декабря 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013.
  4. Tom Lauwers; George Kantor, Ralph Hollis. One is Enough! (PDF). 12th International Symposium on Robotics Research 10. The Robotics Institute at Carnegie Mellon University (12 октября 2005). Проверено 14 августа 2006. Архивировано из первоисточника 6 сентября 2012.
  5. Tom Lauwers; George Kantor, Ralph Hollis. A Dynamically Stable Single-Wheeled Mobile Robot with Inverse Mouse-Ball Drive (PDF). IEEE International Conference on Robotics and Automation 6. The Robotics Institute at Carnegie Mellon University (16 мая 2006). Проверено 14 августа 2006. Архивировано из первоисточника 6 сентября 2012.
  6. 1 2 Simon Doessegger, Peter Fankhauser, Corsin Gwerder, Jonathan Huessy, Jerome Kaeser, Thomas Kammermann, Lukas Limacher, Michael Neunert (2010-06-21). «Rezero, Focus Project Report» (PDF) (Autonomous Systems Lab, ETH Zurich): 202.
  7. Боргуль А. С., Громов В. С., Зименко К. А., Маклашевич С. Ю. Система и алгоритмы стабилизации болбота // Научно-технический вестник ИТМО. - Статья. - 2013. - УДК 681.5:621.865.8+519.71. - стр.1

Ссылки[править | править вики-текст]