Аннотация. Представлены результаты исследования по проектированию и изготовлению прототипа энергоэффективного прыгающего робота с гибкими сочленениями с использованием принципов морфологического расчета. Гибкие элементы позволяют роботам адаптивно подстраиваться к окружающей среде при контактном взаимодействии, перенаправляя энергию взаимодействия с пластической деформации твердых тел в упругую деформацию эластичных тел, что способствует рекуперации энергии в системе. В отличие от традиционных низших и высших кинематических пар, гибкие сочленения обеспечивают перемещения звеньев только в ограниченном диапазоне в пределах зоны упругой деформации. Решена задача проектирования эластичных полимерных перекрестных сочленений на примере плоского механизма ноги неполноприводного прыгающего робота замкнутой кинематики, приводимого в движение от единственного серводвигателя с присоединенными последовательно эластичными элементами. При синтезе такого робота необходимо оптимизировать не только кинематические параметры рычажного механизма, но и топологию и эластостатические параметры самих эластичных сочленений.

Ключевые слова: биомиметика, гибкие сочленения, податливые роботы, численная оптимизация, морфологический расчет

Список литературы:

1. 1. Seok S. et al. Actuator design for high force proprioceptive control in fast legged locomotion // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2012. Р. 1970—1975.
2. 2. Hauser S., Dujany M., Arreguit J., Ijspeert A., Iida F. Coupling-dependent convergence behavior of phase oscillators with tegotae-control // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2021.
3. 3. Ye K., Karydis K. Modeling and Trajectory Optimization for Standing Long Jumping of a Quadruped With a Preloaded Elastic Prismatic Spine // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2021.
4. 4. Fankhauser P., Hutter M. ANYmal: a unique quadruped robot conquering harsh environments // Research Features. 2018. N 126. Р. 54—57.
5. 5. Bledt G. et al. MIT Cheetah 3: Design and control of a robust, dynamic quadruped robot // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2018. P. 2245—2252.
6. 6. Park H. W., Wensing P. M., Kim S. High-speed bounding with the MIT Cheetah 2: Control design and experiments // Intern. Journal of Robotics Research. 2017. Vol. 36, N 2. P. 167—192.
7. 7. Zhong Y. et al. Analysis and research of quadruped robot’s legs: a comprehensive review // Intern. Journal of Advanced Robotic Systems. 2019. Vol. 16. N 3. P. 1729881419844148.
8. 8. Borisova O., Borisov I., Kolyubin S., Stramigioli S. Design of Galloping Robots with Elastic Spine: Tracking Relations between Dynamic Model Parameters Based on Motion Analysis of a Real Cheetah // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2021.
9. 9. Folkertsma G. A. Energy-Based and Biomimetic Robotics. Enschedе: Univ. of Twente, 2017.
10. 10. Seok S. et al. Design principles for energy-efficient legged locomotion and implementation on the MIT cheetah robot // IEEE/ASME Trans. on Mechatronics. 2014. Vol. 20, N 3. P. 1117—1129.
11. 11. Folkertsma G. A., Kim S., Stramigioli S. Parallel stiffness in a bounding quadruped with flexible spine // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2012. P. 2210—2215.
12. 12. Hurst J. W., Chestnutt J. E., Rizzi A. A. An actuator with physically variable stiffness for highly dynamic legged locomotion // Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation, ICRA'04. IEEE, 2004. Vol. 5. P. 4662—4667.
13. 13. Vu H. Q. et al. A variable stiffness mechanism for improving energy efficiency of a planar single-legged hopping robot // Proc. of the 16th Intern. Conf. on Advanced Robotics (ICAR). IEEE, 2013. P. 1—7.
14. 14. Radhakrishnan V. Locomotion: dealing with friction // Proc. of the National Academy of Sciences. 1998. Vol. 95, N 10. P. 5448—5455.
15. 15. Haberland M. et al. The effect of swing leg retraction on running energy efficiency // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2011. P. 3957—3962.
16. 16. Thomaszewski B. et al. Computational design of linkage-based characters // ACM Trans. on Graphics (TOG). 2014. Vol. 33, N 4. P. 1—9.
17. 17. Pratt G. A., Williamson M. M. Series elastic actuators // Proc. IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. Human Robot Interaction and Cooperative Robots. IEEE, 1995. Vol. 1. P. 399—406.
18. 18. Pappalardo A. et al. Hunt–crossley model based force control for minimally invasive robotic surgery // Biomedical Signal Processing and Control. 2016. Vol. 29. P. 31—43.
19. 19. Townsend W., Salisbury J. The effect of coulomb friction and stiction on force control // Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. IEEE, 1987. Vol. 4. P. 883—889.
20. 20. Lakatos D., Albu-Schäffer A. Switching based limit cycle control for compliantly actuated second-order systems // IFAC Proc. Volumes. 2014. Vol. 47, N 3. P. 6392—6399.
21. 21. Howell L. L. Compliant mechanisms // 21st Century Kinematics; Ed. I. M. McCarthy. Springer, 2013. P. 189—216.
22. 22. Ashby M. F., Jones D. R. H. Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design. Elsevier, 2012. Vol. 1.
23. 23. Chen G. M., Jia J. Y., Li Z. W. Right-circular corner-filleted flexure hinges // IEEE Intern. Conf. on Automation Science and Engineering. IEEE, 2005. P. 249—253.
24. 24. Lobontiu N. Compliant Mechanisms: Design of Flexure Hinges. CRC Press, 2002.
25. 25. Naves M. et al. Flexure-based 60 degrees stroke actuator suspension for a high torque iron core motor // Precision Engineering. 2020. Vol. 63. P. 105—114.
26. 26. Naves M., Aarts R., Brouwer D. M. Large-stroke flexure hinges: Building-block-based spatial topology synthesis method for maximising flexure performance over their entire range of motion // Mikroniek. 2017. Vol. 57, N 3. P. 5—9.
27. 27. Boers A. S. B. et al. Inverted curved flexure hinge with torsional reinforcements in a printed prosthetic finger // 33rd ASPE Annual Meeting. 2018.
28. 28. SPACAR Wiki. 2021 [Электронный ресурс]: , 10.04.2021.
29. 29. Fix M. E., Brouwer D. M., Aarts R. G. K. M. Building Block Based Topology Synthesis Algorithm to Optimize the Natural Frequency in Large Stroke Flexure Mechanisms // Intern. Design Engineering Technical Conf. and Computers and Information in Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2020. Vol. 83914. P. V002T02A007.
30. 30. ROBOTIS e-Manual AX-12A [Электронный ресурс]: , 25.06.2021.
31. 31. Тензорезисторы KYOWA. 2018 [Электронный ресурс]: , 20.06.2021.