priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-12-863-873pribor-203Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯDEVICES AND SYSTEMS OF AUTOMATIC CONTROLONTROLСодизайн неполноприводного прыгающего робота: сравнительный анализ виртуального и натурного экспериментовCo-design of an incomplete-drive hopping robot: comparative analysis of virtual and full-scale experimentsИволгаД. В.IvolgaD. V.

Дмитрий Викторович Иволга — факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; инженер

Санкт-Петербург

Dmitry V. Ivolga — Faculty of Control Systems and Robotics, Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics; Engineer

St. Petersburg

ivolga.dv@itmo.ruНасоновК. В.NasonovK. V.

Кирилл Вячеславович Насонов — факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; инженер

Санкт-Петербург

Kirill V. Nasonov — Faculty of Control Systems and Robotics, Laboratory of Biomechatron-ics and Energy-Efficient Robotics; Engineer

St. Petersburg

kvnasonov@itmo.ruБорисовИ. И.BorisovI. I.

Иван Игоревич Борисов — канд. техн. наук, факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; научный сотрудник

Санкт-Петербург

 

Ivan I. Borisov — PhD, Faculty of Control Systems and Robotics, Laboratory of Biomechatron-ics and Energy-Efficient Robotics; Researcher

St. Petersburg

 

borisovii@itmo.ruУниверситет ИТМОITMO University2022011220246512863873Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/203

Рассмотрены прямая и обратная задачи проектирования неполноприводного прыгающего робота, способного осуществлять энергоэффективную динамическую локомоцию. Представлено решение прямой задачи проектирования: имитационное моделирование робота в виртуальной среде в целях изучения его поведения и производительности. Приведено решение обратной задачи проектирования: формирование требований и поиск параметров робота, обеспечивающих его наилучшую производительность. Содизайн заключается в одновременном поиске механической конструкции и траекторий движения робота; оценка поведения и производительности рассматриваемой системы осуществляется в виртуальной имитационной среде. Так как имитационное моделирование не в полной мере отражает протекающие в реальной жизни процессы, апробированные исключительно в виртуальной среде результаты проектирования не могут в полной мере описывать результаты реального эксперимента и заменять их. Сравниваются результаты виртуального и натурного экспериментов макета неполноприводного прыгающего робота, приведено обоснование расхождений полученных данных.

The forward and inverse design tasks of an incomplete-drive hopping robot capable of energy-efficient dynamic locomotion are considered. A solution to the direct design problem of simulating a robot in a virtual environment in order to study its behavior and performance is presented. A solution of the inverse design problem is obtained, which consists in the formation of requirements and the search for robot parameters that ensure its best performance. Since simulation modeling does not fully reflect the processes occurring in real life, the design results tested exclusively in a virtual environment cannot fully describe the results of a real experiment and replace them. The results of virtual and full- scale experiments of a prototype of a non-wheel drive jumping robot are compared, and the rationale for the discrepan- cies in the data obtained is given.

прямая задача проектированияобратная задача проектированиянеполноприводный роботморфологический расчетсодизайнforward design taskinverse design taskincomplete-drive robotmorphological computationco-designPабота поддержана грантом Президента Российской Федерации (№ МК-2081.2022.4)The work was supported by a grant from the President of the Russian Federation (No. MK2081.2022.4).ReferencesRaiola G. et al. Development of a safety-and energy-aware impedance controller for collaborative robots // IEEE Robotics and automation letters. 2018. Vol. 3, N 2. P. 1237—1244.Raiola G. et al. IEEE Robotics and automation letters, 2018, no. 2(3), pp. 1237–1244.Rothling F. et al. Platform portable anthropomorphic grasping with the bielefeld 20-DOF shadow and 9-DOF TUM hand // 2007 IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2007. P. 2951—2956.Rothling F. et al. 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2007, рр. 2951–2956.Lee J. et al. Learning quadrupedal locomotion over challenging terrain // Science robotics. 2020. Vol. 5, N 47. P. eabc5986.Lee J. et al. Science robotics, 2020, no. 47(5), pp. eabc5986.Thomaszewski B. et al. Computational design of linkage-based characters // ACM Transactions on Graphics (TOG). 2014. Vol. 33, N 4. P. 1—9.Thomaszewski B. et al. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2014, no. 4(33), pp. 1–9.Roy N. et al. From Machine Learning to Robotics: Challenges and Opportunities for Embodied Intelligence // arXiv preprint arXiv:2110.15245. 2021.Roy N. et al. arXiv preprint arXiv:2110.15245, 2021.Müller V. C., Hoffmann M. What is morphological computation? On how the body contributes to cognition and control // Artificial life. 2017. Vol. 23, N 1. P. 1—24.Müller V.C., Hoffmann M. Artificial life, 2017, no. 1(23), pp. 1–24.Folkertsma G. A., van der Schaft A. J., Stramigioli S. Morphological computation in a fast-running quadruped with elastic spine // IFAC-PapersOnLine. 2015. Vol. 48, N 13. P. 170—175.Folkertsma G.A., van der Schaft A.J., Stramigioli S. IFAC-PapersOnLine, 2015, no. 13(48), pp. 170–175.Howard D. et al. Evolving embodied intelligence from materials to machines // Nature Machine Intelligence. 2019. Vol. 1, N 1. P. 12—19.Howard D. et al. Nature Machine Intelligence, 2019, no. 1(1), pp. 12–19.Chen F., Wang M. Y. Design optimization of soft robots: A review of the state of the art // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2020. Vol. 27, N 4. P. 27—43.Chen F., Wang M.Y. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2020, no. 4(27), pp. 27–43.Pinskier J., Howard D. From bioinspiration to computer generation: Developments in autonomous soft robot design // Advanced Intelligent Systems. 2022. Vol. 4, N 1. P. 2100086.Pinskier J., Howard D. Advanced Intelligent Systems, 2022, no. 1(4), pp. 2100086.Borisov I. I. et al. Computational design of reconfigurable underactuated linkages for adaptive grippers // 2021 IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2021. P. 6117—6123.Borisov I.I. et al. 2021 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE, 2021, рр. 6117–6123.Borisov I. I. et al. Reconfigurable Underactuated Adaptive Gripper Designed by Morphological Computation // 2022 Intern. Conf. on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2022. P. 1130—1136.Borisov I.I. et al. 2022 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE, 2022, рр. 1130–1136.Rethinking Building Skins: Transformative Technologies and Research Trajectories / Ed. by E. Gasparri et al. Woodhead Publishing, 2021.Gasparri E. et al., ed., Rethinking Building Skins: Transformative Technologies and Research Trajectories, Woodhead Publishing, 2021.Sims K. Evolving virtual creatures // Proc. of the 21st Ann. Conf. on Computer graphics and interactive techniques. 1994. P. 15—22.Sims K. Proceedings of the 21st annual conference on Computer graphics and interactive techniques, 1994, рр. 15–22.Geijtenbeek T., Van De Panne M., Van Der Stappen A. F. Flexible muscle-based locomotion for bipedal creatures // ACM Transactions on Graphics (TOG). 2013. Vol. 32, N 6. P. 1—11.Geijtenbeek T., Van De Panne M., Van Der Stappen A.F. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2013, no. 6(32), pp. 1–11.Wang T. et al. Neural graph evolution: Towards efficient automatic robot design // arXiv preprint arXiv:1906.05370. 2019.Wang T. et al. arXiv preprint arXiv:1906.05370, 2019.Zhao A. et al. Robogrammar: graph grammar for terrain-optimized robot design // ACM Transactions on Graphics (TOG). 2020. Vol. 39, N 6. P. 1—16.Zhao A. et al. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2020, no. 6(39), pp. 1–16.Marhefka D. W., Orin D. E. Simulation of contact using a nonlinear damping model // Proc. of IEEE Intern. Conf. on robotics and automation. IEEE, 1996. Vol. 2. P. 1662—1668.Marhefka D.W., Orin D.E. Proceedings of IEEE international conference on robotics and automation, IEEE, 1996, vol. 2, рр. 1662–1668.Hwang Y. et al. An order n dynamic simulator for a humanoid robot with a virtual spring-damper contact model // 2003 IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation (Cat. No. 03CH37422). IEEE, 2003. Vol. 1. P. 31—36.Hwang Y. et al. IEEE International, 2003, vol. 1, рр. 31–36.Horowitz P., Hill W., Robinson I. The art of electronics. Cambridge: Cambridge university press, 1989. Vol. 2. P. 658.Horowitz P., Hill W., Robinson I. The art of electronics, Cambridge, Cambridge university press, 1989, vol. 2, рр. 658.Nagymáté G., Kiss R. M. Application of OptiTrack motion capture systems in human movement analysis: A systematic literature review // Recent Innovations in Mechatronics. 2018. Vol. 5, N 1. P. 1—9.Nagymáté G., Kiss R. M. Recent Innovations in Mechatronics, 2018, no. 1(5), pp. 1–9.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.