Шаробот

Материал из Поле цифровой дидактики

Шаробо́т (Шаблон:Lang-en) — подвижный робот, использующий для передвижения единственное сферическое колесо (т.е. шар), и постоянно самобалансирующий на нём как в движении, так и в покое<ref name=ixbt>Шаблон:Cite web</ref> <ref name=insiderobot>Шаблон:Cite web</ref> <ref name=roboclub>Шаблон:Cite web</ref>. 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

Файл:Ballbot Rezero 2010.jpg
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<ref name="Tom Lauwers 10">Шаблон:Cite web</ref>.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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 поворотаШаблон:Нет АИ 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<ref name="Rezero">{{#if:Simon Doessegger, Peter Fankhauser, Corsin Gwerder, Jonathan Huessy, Jerome Kaeser, Thomas Kammermann, Lukas Limacher, Michael Neunert|Simon Doessegger, Peter Fankhauser, Corsin Gwerder, Jonathan Huessy, Jerome Kaeser, Thomas Kammermann, Lukas Limacher, Michael Neunert  }}{{#if: 

 | [{{{ссылка}}} Rezero, Focus Project Report]
 | Rezero, Focus Project Report

}}{{#if: 

 | {{#ifexist: Шаблон:ref-
     | Шаблон:Ref-
     |  ()
   }}

}}{{#if:| = {{{оригинал}}} }}{{#switch:{{#if:|а}}{{#if:|и}} 

 |аи= // {{{автор издания}}} {{{издание}}}
 |а= // {{{автор издания}}}
 |и= // {{{издание}}}

}}{{#if:| : {{{тип}}} }}{{#if:| / {{{ответственный}}} }}.{{#switch:{{#if:|м}}{{#if:Autonomous Systems Lab, ETH Zurich|и}}{{#if:2010|г}} 

 |миг= — {{#if:{{{место}}}|{{#switch:{{{место}}}|L.|N. Y.|P.|Б.|Б. м.|Ер.|Иер.|К.|Каз.|Л.|М.|Мн.|Н. Н.|Н. Новгород|Пг.|Ростов н/Д|СПб.|Тб.|Тф.|Яр.={{ {{{место}}} }}|{{{место}}}}} }}: Autonomous Systems Lab, ETH Zurich, 2010.
 |ми= — {{#if:{{{место}}}|{{#switch:{{{место}}}|L.|N. Y.|P.|Б.|Б. м.|Ер.|Иер.|К.|Каз.|Л.|М.|Мн.|Н. Н.|Н. Новгород|Пг.|Ростов н/Д|СПб.|Тб.|Тф.|Яр.={{ {{{место}}} }}|{{{место}}}}} }}: Autonomous Systems Lab, ETH Zurich.
 |мг= — {{#if:{{{место}}}|{{#switch:{{{место}}}|L.|N. Y.|P.|Б.|Б. м.|Ер.|Иер.|К.|Каз.|Л.|М.|Мн.|Н. Н.|Н. Новгород|Пг.|Ростов н/Д|СПб.|Тб.|Тф.|Яр.={{ {{{место}}} }}|{{{место}}}}} }}, 2010.
 |иг= — Autonomous Systems Lab, ETH Zurich, 2010.
 |м= — {{#if:{{{место}}}|{{#switch:{{{место}}}|L.|N. Y.|P.|Б.|Б. м.|Ер.|Иер.|К.|Каз.|Л.|М.|Мн.|Н. Н.|Н. Новгород|Пг.|Ростов н/Д|СПб.|Тб.|Тф.|Яр.={{ {{{место}}} }}|{{{место}}}.}} }}
 |и= — Autonomous Systems Lab, ETH Zurich.
 |г= — 2010.

}}{{#if:| — В. {{{выпуск}}}.

}}{{#if:| — Vol. {{{volume}}}. }}{{#if:| — Band {{{band}}}. }}{{#if:| — Т. {{{том}}}.

}}{{#if:| — № {{{номер}}}.

}}{{#if:202| — С. 202. }}{{#if:| — P. {{{pages}}}. }}{{#if: | — S.</nowiki> {{{seite}}}.

}}{{#if:| — ISBN {{{isbn}}}. }}{{#if:| — ISSN Шаблон:ISSN search link. }}{{#if:| — Шаблон:DOI }}{{#if:| — Шаблон:Bibcode }}{{#if:| — Шаблон:Arxiv }}{{#if: | — PMID {{{pmid}}}. }}{{#if: 

 |  [{{{archiveurl}}} Архивировано] из первоисточника {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{archivedate}}}}} | {{{archivedate}}}}}.

}}{{#if:

|

Этот шаблон использует устаревший параметр «название». Пожалуйста, отредактируйте эту статью, заменив «название» на «заглавие».

}}{{#if:

|

Этот шаблон использует устаревший параметр «город». Пожалуйста, отредактируйте эту статью, заменив «город» на «место».

}}</ref>. Как следствие, шароботу одинаково легко стоять на одном месте и двигаться<ref>Боргуль Шаблон:Wayback А. С., Громов В. С., Зименко К. А., Маклашевич С. Ю. Система и алгоритмы стабилизации болбота Шаблон:Wayback // Научно-технический вестник ИТМО. - Статья. - 2013. - УДК 681.5:621.865.8+519.71. - стр.1</ref>.

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<ref name="Rezero" />.

Применение шароботов

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.

Шаблон:Перевести

Примечания

1 }} 
       | {{#switch: {{{1}}}
         | узкие = columns reflist-narrow
         | широкие = columns reflist-wide
         | #default = columns
         }}
       | {{#switch: {{{1}}}
         | 1 = 
         | 2 | 3 = columns
         | #default = columns reflist-narrow
         }}
       }}
     | columns
     }}
   }}" style="{{#if: 
   | column-width:{{{colwidth}}};
   | {{#if: 
     | {{#iferror: {{#ifexpr: {{{1}}} > 1 }}
       | {{#switch: {{{1}}}
         | узкие | широкие = 
         | #default = column-width:{{{1}}};
         }}
       }}
     }}
   }} list-style-type: {{#switch: 
   | upper-alpha
   | upper-roman
   | lower-alpha
   | lower-greek
   | lower-roman = {{{group}}}
   | #default = decimal
   }};">

<references group="" responsive="{{#if: 

 | 0
 | {{#if: 
   | {{#iferror: {{#expr: {{{1}}} > 1 }}
     | {{#switch: {{{1}}}
       | узкие | широкие = 1
       | #default = 0
       }}
     | {{#switch: {{{1}}}
       | 1 = 0
       | #default = 1
       }}
     }}
   | 1
   }}
}}"></references>

Ошибка скрипта: Модуля «Check for unknown parameters» не существует.

Ссылки

Шаблон:Робототехника

Источник — http://digida.mgpu.ru/index.php?title=Шаробот&oldid=44170