Biologií inspirované řízení kráčivého robota
Loading...
Date
Authors
Žák, Marek
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract
Mobilní roboti se stávají součástí každodenního života. Jsou konstruováni nejrůznější roboti, kteří dokáží provádět celou řadů různých úkolů nebo se pohybovat i v místech, kam lidé nemohou. Jejich využití lze najít při záchranných operacích nebo při průzkumu těžko dostupných míst na Zemi nebo ve vesmíru. Kráčiví roboti tvoří speciální kategorii mobilních robotů, protože se svými vlastnostmi výrazně odlišují od jiných typů robotů. Dokáží se pohybovat v členitém terénu, překonávat různé překážky a mohou využívat svoje končetiny k manipulaci s okolními předměty. Přestože jsou kráčiví roboti skvěle vybaveni pro pohyb v náročném terénu, jejich běžnějšímu užívání zatím brání řada faktorů. Jejich pohyb je relativně pomalý a energeticky náročný, unesou poměrně málo nákladu a jejich konstrukce je mnohem složitější v porovnání s kolovými nebo pásovými roboty. Kráčiví roboti často disponují desítkami kloubů, a jejich řízení je proto velmi složité. Tato dizertační práce popisuje návrh, konstrukci a řízením nového biologií inspirovaného šestinohého robota WHexaR (z anglického Wheeled Hexapod Robot, kolový šestinohý robot), kterého jsem postavil. Tento robot je schopen energeticky úsporného pohybu ve členitém terénu. Struktura jeho končetin je inspirována stavbou končetiny hmyzu. Robot dokáže přizpůsobit svůj pohyb okolnímu terénu. Speciální trochanterový kloub umožňuje natočení celé končetiny robota rovnoběžně s gravitačním zrychlením, což vede ke snížení spotřeby energie, zvýšení stability robota a schopnosti překonávat strmější svahy. Pro pohyb na rovné terénu je robot vybaven natočitelnými koly, díky kterým se robot může pohybovat vyšší rychlostí s nižší energetickou spotřebou než při pohybu pomocí chůze. Navržený kontrolér robota disponuje řadou reflexů, které byly pozorovány u hmyzu. Tyto reflexy zvyšují efektivitu pohybu robota ve členitém terénu a umožňují mu překonávat různé překážky. Robot byl podroben řadě experimentů, které prokázaly jeho schopnosti pohybu ve členitém a svažitém terénu.
Mobile robots have become part of everyday life. Various robots can perform a wide range of different tasks or go to places humans cannot. Their use can be found in rescue operations or in the exploration of remote or hard to reach places on Earth or in space. Walking robots form a separate category of mobile robots due to their unique features. They can negotiate rough terrain, can overcome various obstacles or use their legs to manipulate objects. Although walking robots are well suited to navigate rugged terrain, a number of factors have so far prevented their mass deployment. Their movement is relatively slow and energetically demanding, they have a limited payload, and their design is significantly more complex compared to wheeled or tracked robots. Walking robots often have dozens of joints and their control is therefore very complicated. This thesis describes a new bio-inspired hexapod robot WHexaR (Wheeled Hexapod Robot) and its controller that I designed and implemented as part of this work. The resulting robot is capable of energy-efficient movement in rugged terrain. The leg structure of the robot is inspired by the structure of an insect limb. The robot adapts its movement to the surrounding terrain. A special trochanter joint allows the entire leg of the robot to rotate parallel to gravitational acceleration, which reduces the energy consumption, increases the robot's stability and allows the robot to overcome steep hills. For movement on flat terrain, the robot is equipped with steerable wheels that allow the robot to achieve higher speeds with lower energy consumption than when using gait. The innovative biology-inspired robot controller is equipped with reflexes observed in insects that make the robot more efficient when travelling in rough terrain and improve its ability to overcome obstacles. A series of experiments were conducted to demonstrate the robot's ability to navigate rugged and sloping terrain.
Mobile robots have become part of everyday life. Various robots can perform a wide range of different tasks or go to places humans cannot. Their use can be found in rescue operations or in the exploration of remote or hard to reach places on Earth or in space. Walking robots form a separate category of mobile robots due to their unique features. They can negotiate rough terrain, can overcome various obstacles or use their legs to manipulate objects. Although walking robots are well suited to navigate rugged terrain, a number of factors have so far prevented their mass deployment. Their movement is relatively slow and energetically demanding, they have a limited payload, and their design is significantly more complex compared to wheeled or tracked robots. Walking robots often have dozens of joints and their control is therefore very complicated. This thesis describes a new bio-inspired hexapod robot WHexaR (Wheeled Hexapod Robot) and its controller that I designed and implemented as part of this work. The resulting robot is capable of energy-efficient movement in rugged terrain. The leg structure of the robot is inspired by the structure of an insect limb. The robot adapts its movement to the surrounding terrain. A special trochanter joint allows the entire leg of the robot to rotate parallel to gravitational acceleration, which reduces the energy consumption, increases the robot's stability and allows the robot to overcome steep hills. For movement on flat terrain, the robot is equipped with steerable wheels that allow the robot to achieve higher speeds with lower energy consumption than when using gait. The innovative biology-inspired robot controller is equipped with reflexes observed in insects that make the robot more efficient when travelling in rough terrain and improve its ability to overcome obstacles. A series of experiments were conducted to demonstrate the robot's ability to navigate rugged and sloping terrain.
Description
Citation
ŽÁK, M. Biologií inspirované řízení kráčivého robota [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Výpočetní technika a informatika
Comittee
prof. Ing. Lukáš Sekanina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Vítězslav Beran, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Musílek, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Ondráček, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Sekaj, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2024-02-28
Defence
Student přednesl cíle a výsledky, kterých v rámci řešení disertační práce dosáhl.
V rozpravě student odpověděl na otázky komise, oponentů a hostů.
Diskuze je zaznamenána na diskuzních lístcích, které jsou přílohou protokolu. Počet diskuzních lístků: 5
Komise se v závěru jednomyslně usnesla, že student splnil podmínky pro udělení akademického titulu doktor.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení