Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка универсального захватывающего устройства антропоморфного типа для выполнения контактных операций с повышенной точностью и надежностью

Номер контракта: 14.577.21.0136

Руководитель: Скворцов Аркадий Алексеевич

Должность руководителя: Декан факультета "Энергомашиностроение и приборостроение" МГТУ "МАМИ"

Докладчик: Посельский Иван Александрович, старший научный сотрудник управления научно-исследовательских работ

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
1. Формулировка цели реализуемого проекта: Целью данной работы является разработка программно-аппаратных, конструктивно-компоновочных и схемотехнических решений в области создания универсального захватывающего устройства с элементами антропоморфной структуры. Такие решения предназначены для обеспечения возможности адаптации и широкого применения перспективных робототехнических комплексов в условиях естественной окружающей среды, сформированной человеком, путем обеспечения их универсальными антропоморфными захватами, способными захватывать, удерживать и манипулировать предметами произвольной геометрической формы. 2. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект: а) способы конструирования адаптивного многозвенного модуля (одиночного захвата «пальца»); б) способы компоновки универсального захватывающего устройства антропоморфного типа; в) методы построения систем автоматического управления элементами манипулятора и захвата в целом; г) методы построения сенсорных систем обратной связи для очувствления манипулятора; д) методы управления приводами исполнительных групп поворотных звеньев на базе адаптивности усилий развиваемых на захватываемом объекте; е) методы управления захватывающими устройствами.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности):

На данный момент завершены 2 этапа из 5, начаты работы по 3 этапу. Ниже дано описание результатов, полученных к настоящему моменту за 1 и 2 этапы:

В рамках выполнения работ по 1 этапу проекта были получены следующие результаты:
1) Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, разработан раздел 1 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ», содержащий описания следующих результатов:
а) принципов биомеханики кисти руки человека, как основы для разработки механической части антропоморфных захватов;
б) механических принципов функционирования антропоморфных захватов с использованием бионического подхода;
в) основных применяемых конструктивно-компоновочные решений антропоморфных захватов;
г) информационно-измерительных систем антропоморфных захватов
д) систем управления антропоморфными захватами;
2) Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96», разработан раздел 2 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96» и приложение к промежуточному отчету о ПНИ по 1 этапу «ПРИЛОЖЕНИЕ А. Отчет о проведении патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96», содержащий описания следующих результатов:
а) постановки задач патентных исследований;
б) проведения патентного поиска;
в) проведения анализа результатов патентного поиска;
г) проведения обобщения результатов патентного поиска;
3) Исследованы возможные варианты решения задач ПНИ и проведены выбор и обоснование оптимального направления проведения исследова-ния, по результатам которых был сформирован прогнозируемый облик ЭО АМЗ. Разработан раздел 3 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Выбор и обоснование направлений исследований», содержащий описания следующих результатов:
а) методов решения поставленных задач ПНИ;
б) средств решения поставленных задач ПНИ;
в) направлений исследований и способов решения поставленных задач ПНИ;
4) Выполнена доработка управляемого многозвенного штатива (МЗШ) с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда. Разработан промежуточный отчет о ПНИ по 1 этапу «Научно-технический отчет по работам, выполняемым за счет ВБС, оформленный на основе положений ГОСТ 7.32-2001», содержащий описания следующих результатов:
а) технического задания на выполнение работ за счет ВБС (ПРИ-ЛОЖЕНИЕ А);
б) документов, подтверждающих проведение оценки стоимости и право собственности Индустриального партнера на объекты интеллектуальной собственности (ПРИЛОЖЕНИЕ Б);
в) постановки задач выполнения работ 1 этапа за счет ВБС
г) доработки механической конструкции МЗШ
д) доработки электронных модулей управления МЗШ
е) доработки программного обеспечения управления МЗШ


В рамках выполнения работ по 2 этапу проекта были получены следующие результаты:
1) Выполнена разработка математических (ММ1) и программных моделей (ПМ1), описывающих кинематику и динамику ЭО АМЗ на основе линейных и нелинейных дифференциальных уравнений и разработан Раздел 1 промежуточного Отчёта ПНИ по 2 этапу «Разработка математических (ММ1) и программных моделей (ПМ1), описывающих кинематику и динамику ЭО АМЗ на основе линейных и нелинейных дифференциальных уравнений», содержащий описания следующих результатов:
а) Модель электропривода;
б) Модель суставов (элемент одиночного исполнительного звена);
в) Модель наборов суставов, образующих одиночный захват (палец, группа исполнительных звеньев);
г) Модель набора одиночных захватов образующих захват в це-лом(кисть);

2) Выполнена разработка математических (ММ2) и программных моделей (ПМ2) системы управления приводами исполнительных групп звеньев, разработан Раздел 2 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка математических (ММ2) и программных моделей (ПМ2) системы управления приводами исполнительных групп звеньев», содержащее описание ММ2:
а) Модель электропривода;
б) Модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев;
Описание способов построения интеллектуальных адаптивных контроллеров на основе комбинации подходов, основанных на применении искусственных нейронных сетей, ПИД-регуляторов и предиктивных регуляторах.
Разработанная математическая модель (ММ2) системы управления может быть использована при проектировании систем управления сервоприводами для решения задач динамического управления и удержания положения выходного вала. На основе разработанной математической модели была произведена программная реализация модели в среде MATLAB Simulink.

3) Проведена проверка разработанных моделей на точность и адекват-ность, разработан Раздел 3 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Проверка разработанных математических моделей (ММ1 и ММ2) на точность и адекватность». Экспериментально было установлено, что значения координат и развиваемых усилий, найденные с помощью настоящей модели полностью совпадают с данными, которые можно получить при использовании эталонной модели.

4) Разработана принципиальная кинематическая схема ЭО АМЗ, разработан Раздел 4 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка принципиальной схемы (ПрСХ1) построения кинематически зависимых движений исполнительных групп звеньев», содержащего описание разработки кинематической схемы ЭО АМЗ с учётом адаптации к форме предмета. Разработано Приложение Ж промежуточного отчёта о ПНИ по 2 этапу, содержащее принципиальную кинематическую схему ЭО АМЗ.

5) Разработана программная документация на ПМ1 и ПМ2, разработан Раздел 5 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка программной документации на программные модели (ПМ1 и ПМ2)», разработаны Приложения А,Б,В,Г,Д и Е промежуточного отчёта о ПНИ по 2 этапу, содержащие:
а) Текст программы специальное программное обеспечение модели-рования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.401-78 (Приложение А)
б) Описание программы специальное программное обеспечение моделирования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.402-78 (Приложение Б)
в) Описание применения специальное программное обеспечение мо-делирования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.502-78 (Приложение В)
г) Текст программы специальное программное обеспечение про-граммная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.401-78 (Приложение Г)
д) Описание программы специальное программное обеспечение программная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.402-78 (Приложение Д)
е) Описание применения специальное программное обеспечение программная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.502-78 (Приложение Е)

6) Разработаны принципы построения ЭО АМЗ с малой удельной массой, разработан Раздел 6 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка принципов построения ЭО АМЗ с малой удельной массой и адаптивными свойствами относительно захватываемого объекта», содержащего описание разработки кинематической схемы ЭО АМЗ с учётом адаптации к форме предмета.

7) Разработаны принципы силового взаимодействия манипулятора с объектом захвата, разработан Раздел 7 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка протоколов силового взаимодействия и управления исполнительными группами звеньев с захватываемыми объектами», содержащий описание подхода к построению системы управления процессом захвата предметов с помощью ЭО АМЗ в основе которого лежит комбинированный подход из метода синтеза фиксированных паттернов и адаптации по форме предмета уже на стадии непосредственного управления движением исполнительных групп звеньев.

8) Разработан бинарный протокол обмена данными, описан набор пакетов данных, разработан Раздел 8 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка протоколов обмена данными для приёма команд управления позиционированием приводов и передачи телеметрии», содержащий описание бинарного протокола обмена данными, обеспечивающего как широкополосную передачу команд нескольким потребителям для синхронного управления, так и контроль целостности пакетов.

9) Разработан алгоритм управления приводами исполнительных групп звеньев на базе адаптивности усилий (ПрИГЗ-АУ), развиваемых на захватываемом объекте, разработан Раздел 9 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев на базе адаптивности усилий (ПрИГЗ-АУ), развиваемых на захватываемом объекте», содержащее описание алгоритма.

10) Разработаны алгоритмы управления процедурой захвата ЭО АМЗ, разработан Раздел 10 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов управления кинематическими звеньями ЭО АМЗ с контролем распределенного давления (ПрКЗЗУ-КРД) на их рабочих поверхностях и реализующие принципы инверсной кинематики и динамики», содержащий описание способов формирования траектории движения на основе предварительно сформированных паттернов захватов, описание паттернов захвата, и алгоритм взаимной синхронизации движения исполнительных групп звеньев.

11) Разработаны алгоритмы предварительной обработки данных, получаемых от датчиков обратной связи, разработан Раздел 11 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов обработки данных системы датчиков обратной связи (СДОС)», содержащий описание первичной обработки информационных сигналов от датчиков обратной связи на основе фильтрации с использованием фильтра Калмана.

12) Проведено моделирование разработанных алгоритмов управления с использованием пакетов MATLAB Simulink и GraspIt!. разработан Раздел 12 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Моделирование алгоритмов управления манипулятором на основе разработанных математических моделей», содержащий описание процедуры и результатов моделирования в пакете MATLAB Simulink алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев, а также процедуры управления захватом предметов с использованием симулятора GraspIt!.
13) Проведён анализ соответствия результатов проекта, достигнутых на Этапе 2 ПНИ требованиям, разработан Раздел 13 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Соответствие результатов проекта, достигнутых на Этапе 2 ПНИ требованиям ТЗ», содержащий сверку результатов с требованиями ТЗ.

14) Проведены предварительные действия для участия в 2015 году в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ, разработан Раздел 14 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Об участии в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ», и Приложение Ж «Об участии в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ »содержащие сведения о планируемых мероприятиях.

15) Подготовлено предварительное содержание документов для заявки на Программу для ЭВМ по теме «Программа управления приводами исполни-тельных групп звеньев на базе адаптивности усилий, развиваемых на захватываемом объекте» для последующего проведения дополнительных патентных исследования на Этапе 4 ПНИ, разработан Раздел 15 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Сведения о планируемых РИД», и Приложение К «Отчет о планируемых РИД» содержащие сведения о планируемых РИД на 2015 году.

16) Проведена доработка системы технического зрения (СТЗ) на базе стереоскопического сенсора глубины для автоматического распознавания типа захватываемого предмета с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда, разработан Раздел 1 Научно-технического отчета по работам, выполняемым за счет ВБС, оформленного на основе положений ГОСТ 7.32-2001 – «Доработка системы технического зрения (СТЗ) на базе стереоскопического сенсора глубины для автоматического распознавания типа захватываемого предмета с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда»

17) Проведена разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) и Программной документации (ПрД) на МЗШ и СТЗ, разработан Раздел 2 Научно-технического отчета по работам, выполняемым за счет ВБС, оформленного на основе положений ГОСТ 7.32-2001 – «Разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) и Программной документации (ПрД) на МЗШ и СТЗ»

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Все планируемые к получению на последующих этапах ПНИ ключевые характеристики результатов работ полностью соответствуют требованиям Технического задания и Календарного плана по Соглашению №14.577.21.0136 от 24 ноября 2014 года, в частности:
В прогнозируемом облике ЭО АМЗ будут достигнуты следующие основные характеристики, полностью соответствующие ТЗ:
1) снижение собственной массы захвата до 2,5 кг (соответствует п. 4.2.1.б ТЗ);
2) усилия на исполнительных звеньях, достаточные для удержания объектов массой до 6 кг (соответствует п. 4.2.1.в ТЗ);
3) защита исполнительных механизмов от ударных воздействий на звенья захватного устройства (соответствует п. 4.2.1.г ТЗ);
4) обеспечение возможности захвата объектов произвольной формы с размерами, не превышающими заданные п. 4.3.2.1.1.2 ТЗ (соответствует п. 4.2.1.б ТЗ);
5) расхождение заданной величины усилия и реализуемой не более 8% (соответствует п. 4.2.2.а ТЗ);
6) время заданного усилия при отсутствии движения звена до 1 мин (соответствует п. 4.2.2.б ТЗ);
7) возможность реверсивного движения звена при превышении внешней нагрузки более чем на 10% от программно задаваемой (соответствует п. 4.2.2.в ТЗ);
8) возможность управления жёсткостью суставов в диапазоне от 0,1 до 1,0 Н*м/рад (соответствует п. 4.2.2.г ТЗ);
9) контроль распределенной нагрузки непрерывно, с частотой обновления не менее 1 Гц (соответствует п. 4.2.3 ТЗ);
10) диапазон измеряемой величины распределенной нагрузки от 0,08 до 0,30 Н/мм 2 (соответствует п. 4.2.4 ТЗ);
11) точность измерений величины распределенной нагрузки не менее 10% (соответствует п. 4.2.5 ТЗ);
12) плотность замеряемых значений не менее 25 точек на 1 см 2 (соответствует п. 4.2.6 ТЗ);
13) точность измерения угловых положений суставов захватного устройства не менее 0,1 градуса (соответствует п. 4.2.7 ТЗ);

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы:
В рамках данного проекта будут устранены базовые недостатки, которые имеются у современных антропоморфных захватов. Современные антропоморфные захваты обеспечивают захват, но при этом, как правило, в них отсутствует индивидуальный контроль пальцев руки. Такие захваты неспособны осуществлять сложные скоординированные движения, например, отдельными пальцами, или выполнять сложные сочетанные движения пальцев, например, захват щепотью. Это так называемые паттерны захватов. В разрабатываемом ЭО АМЗ – это синтез управляющих команд, формирующий индивидуальный вариант захвата для каждого случая. В имеющихся научных разработках и коммерческих продуктах (например, био-электрических протезах), количество управляемых степеней подвижности невелико, что очень ограничивает их функциональные возможности.
Другой недостаток современных захватов – отсутствие обратной связи, соответственно нет возможности корректировки действий захвата, будь это автоматический или ручной режим управления. В данном проекте будут применены нейросетевые алгоритмы на базе параллельной вычислительной архитектуры. Это позволит повысить интеллект разрабатываемого ЭО АМЗ в части решения задач захвата, создать возможность обучения на примерах и устранения повторяющихся ошибок. Параллельная архитектура и использование ступенчатой (распределенной) обработки, позволит повысить оперативность реакции захвата, ускорить принятие управляющих решений при функционировании системы обратной связи.
Еще один недостаток современных захватов - механические решения, не позволяющие выполнять сложные двигательные акты, кинематически близкие к человеческим. В данном проекте этот недостаток будет устранен. Каждый палец захвата, кроме большого, должен иметь минимум по 3 «фаланги». Все пальцы должны крепиться к «запястью», обеспечивающему в сочленении «предплечье-запястье», подвижность всей «кисти». «Большой палец» должен иметь, как минимум, 2 «фаланги». То есть предельно близко к строению кисти человека. Каждая смежная пара «фаланг» должна образовывать отдельное сочленение, которое должно иметь определённую степень подвижности. Вся совокупность степеней подвижности в итоге должна позволить производить сложные виды захватов.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик:

На данный момент, пока не разработано физического результата работ, но предварительно по результатам проведения 1 и 2 этапов работ можно спрогнозировать облик разрабатываемого ЭО АМЗ и возможные новые решения, которые можно использовать.

По результатам выполнения 1 этапа работ можно выделить следующие элементы новизны и применявшиеся решения (методики):
1) В качестве заимствованных решений (где предметом выбора служит само конкретное решение из группы подобных, используемых в мировой практике), а также частично заимствованных (где заимствован принцип решения, но индивидуальны параметры настройки и компоновка, что должно увеличить эффективность в решении отдельных задач ПНИ относительно аналогов), выбраны следующие:
а) В качестве принципа построения и передачи движения исполнительным звеньям выбран вариант с размещением приводов вне конструкции кисти захвата.
б) В качестве приводов исполнительных групп звеньев выбраны сервоприводы на основе бесколлекторных электродвигателей.
в) В качестве средств передачи движения исполнительным группам звеньев выбраны гибкие тяги на основе плетёных полиэтиленовых нитей.
г) В качестве основы для построения алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев выбрано комбинированное решение с ис-пользованием линейного ПИД-регулятора и аппарата искусственных нейронных сетей. В качестве архитектур нейронных сетей для дальнейших исследований систем управления выбраны многослойные нейронные сети с обратными связями и нейронные сети радиально-базисных функций.
д) В качестве элементной базы для встраиваемых вычислительных моду-лей выбраны процессоры с архитектурой ARM.
е) В качестве средства реализации программного обеспечения для ARM выбран пакет Eclipse IDE с расширением GNU ARM (С/С++).
ж) В качестве средства реализации программных моделей выбран пакет MATLAB с инструментариями System Identification Toolbox, Neural Networks Toolbox и Simscape.
з) В качестве реализации сенсорной системы обратной связи выбраны:
1 цифровые магнитные угловые датчики Холла;
2 тактильные сенсоры с использованием резистивных технологий.

2) В качестве основы для построения алгоритмов управления захватом выбраны три базовых научно- технических решения:
а) Способ синтеза фиксированного набора паттернов для захвата ограниченного класса предметов известной формы с контролем усилия сжатия;
б) Способ адаптивного синтеза команд управления захватом с использованием тактильной сенсорной информации;
в) Способ выполнения движений в режиме копирования, посредством захвата движений оператора.

3) В качестве решений, обладающих новизной, и не имеющие аналогов, выбраны:
а) Устройство захвата, усовершенствованное за счет увеличения количе-ства управляемых степеней свободы до 22 и миниатюризации конструкции при сохранении высокого развиваемого усилия (до 30-40 Н на сустав).
б) Устройство захвата, усовершенствованное за счет использования до-полнительного свободного места в конструкции исполнительных звеньев, полученного за счёт переноса приводов вне конструкции кисти, для размещения дополнительных элементов системы тактильных сенсоров касания.
в) Способ передачи движения исполнительным поворотным звеньям за счёт одновременного использования антагонистической схемы на базе искусственных сухожилий, эластичного элемента и датчика деформации эластичного элемента для обеспечения контроля момента, управления жесткостью и защиты сустава от ударных нагрузок.
г) Способ определения ориентации предмета относительно плоскости ладони и формирование команд управления приводами запястных суставов для предварительного размещения исполнительных узлов манипулятора вокруг захватываемого предмета, таким образом, что при одновременном движении пальцев к центру ладони захватываемый предмет оказывается в центре фигуры, образованной дистальными фалангами пальцев.
д) Способ синхронизации систем управления отдельными приводами ис-полнительных групп звеньев, с использованием формирования сигналов на основе взаимного сопоставления данных от системы распределённых тактильных сенсоров обратной связи.
е) Способ управления захватом отличается тем, что для каждого пальца производится индивидуальный расчёт порогового значения усилия сжатия в зависимости от стабильности удержания. Дополнительный технический эффект заключается в способности автоматического учёта параметров жесткости и шероховатости материала.

По результатам выполнения 2 этапа работ можно выделить следующие элементы новизны и применявшиеся решения (методики):
Новизна при разработке принципиальной схемы антропоморфного манипулятора заключается в увеличении количества управляемых степеней свободы до 22, обеспечивая обеспечивается независимое управление мизинцем и безымянным пальцами, что соответствует результатам анализа технического уровня разработок при проведении патентных исследований на Этапе 1 ПНИ.
Новизна при моделировании системы управления захвата предметов заключается в определении ориентации предмета относительно плоскости ладони и формировании команд управления приводами запястных суставов для предварительного размещения 5 исполнительных узлов манипулятора вокруг захватываемого предмета, таким образом, что при одновременном движении пальцев к центру ладони захватываемый предмет оказывается в центре фигуры, образованной дистальными фалангами пальцев; а также синхронизации движения отдельных приводов исполнительных групп звеньев за счёт взаимного сопоставления данных от виртуальных распределённых тактильных сенсоров обратной связи, посредством контроля развиваемого усилия по заранее рассчитанному пороговому значению, что соответствует результатам анализа технического уровня разработок при проведении патентных исследований на Этапе 1 ПНИ
Новизна при проведении исследования кинематической схемы ЭО АМЗ заключается в использовании подхода, основанного на использовании метрики качества удержания предмета в захвате, для чего был разработан способ подготовки описания математической модели манипулятора, включающей в свой состав элементы твердотельной модели, содержащей описание физических параметров.
Новизна при разработке программной модели кинематики и динамики антропоморфного захвата заключается в возможности расчёта технических параметров манипулятора для выполнения захватов предметов сложной формы с обеспечением заданного усилия удержания, что соответствует результатам анализа технического уровня разработок при проведении патентных исследований на Этапе 1 ПНИ.

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
На 1 и 2 этапах работ по проекту, в соответствии с логикой научного исследования, Техническим заданием и План-графиком, перед исполнителем стояли задачи анализа литературы, выбора и обоснования направлений исследований, проведения патентных исследований, проведения математического моделирования, разработки программных моделей, алгоритмов. Физического результата работ не разработано. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень можно произвести только после разработки ЭО АМЗ по окончании 3 этапа данного проекта.

Однако, предварительно, по результатам проведения 1 и 2 этапа, планируется достижение научно-технического уровня разработок, сопоставимого (а по отдельным моментам и превосходящего) по наиболее значимым параметрам с мировыми аналогами, такими как Shadow C6M Smart Motor Hand производства компании SHADOW ROBOT COMPANY LTD, Anthropomorphic Hand SAH компании SCHUNK, Airic’s arm компании Festo, DLR Hand II.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски:
Результаты работ 1 и 2 этапа будут использованы для выполнения последующих работ на 3-5 этапах проекта.
Разрабатываемые на последующих этапах в ходе выполнения ПНИ технические решения в области создания универсального захватывающего устройства, по окончании проекта, должны стать основой для применения в следующих областях:
а) в бытовой робототехнике - установка на мобильные робототехнические комплексы для удаленного выполнения сложных контактных операций;
б) в промышленности, в области разработки промышленных роботов, – для автоматизации сборочных и контактных операций;
в) в сфере реабилитационной медицины, в качестве основы для создания биопротезов верхних конечностей человека;

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Результаты работ 1 и 2 этапа будут использованы для выполнения работ на 3-5 этапах проекта.
Разрабатываемые на последующих этапах в ходе выполнения ПНИ технические решения в области создания универсального захватывающего устройства, по окончании проекта, должны стать основой для применения в следующих областях:
а) в бытовой робототехнике - установка на мобильные робототехнические комплексы для удаленного выполнения сложных контактных операций;
б) в промышленности, в области разработки промышленных роботов, – для автоматизации сборочных и контактных операций;
в) в сфере реабилитационной медицины, в качестве основы для создания биопротезов верхних конечностей человека;

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Разрабатываемый ЭО АМЗ является высокотехнологичной и наукоемкой продукцией, со сферами дальнейшего применения в следующих областях:
• дистанционное выполнение контактных операций при выполнении работ в труднодоступных и опасных местах
• мобильные платформы с манипуляторами, использующиеся для разминирования или ведения военных действий
• при использовании человеком естественных движений, преобразуемых в систему управляющих команд (аналог – cyber glove)
• медицинские биопротезы
• на производстве для выполнения сортировичных и сборочных операций
• Сфера бытовых роботов - роботы-помощники с руками, снабженными манипуляторами, способные выполнять повседневную работу.
Самая большая востребованность с коммерческой точки зрения сейчас – с сфере реабилитационной медицины, (биопротезы), поэтому есть смысл подробнее описать эту область применения. В настоящее время на нашем рынке представлены лишь импортные биопротезы по цене от 20 до 50 тысяч евро. Отечественная продукция будет иметь стоимость на порядок ниже, что позволит расширить количество востребованных изделий, произвести импортозамещение и улучшить качество жизни инвалидов. Количество востребованных манипуляторов для промышленности, и управляемых от биопотенциалов, трудно оценить, так как рынок только начинает формироваться. Его можно оценить лишь косвенно по потенциальным сферам применения в химической и атомной промышленности, в сфере безопасности и борьбы с терроризмом и т.д. При цене в 5-10 тысяч евро, емкость рынка можно оценить в сотни изделий в год, при понижении рыночной цены изделий до 3-5 тысяч евро , емкость рынка составит приблизительно 1-2 тысячи изделий в год. В силу сочетания цены и высокой технологичности, у подобных конечных изделий имеется хороший экспортный потенциал.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Результаты работ 1 и 2 этапа будут использованы для выполнения последующих работ на 3-5 этапах проекта. На 1-2 этапе выполнения работ были разработаны математические и программные модели объекта управления – антропоморфного манипулятора, данные модели использованы для разработки математической и программной моделей системы управления. Были проведены исследования и подтверждена эффективность разработанной кинематической схемы для решения задачи захвата предметов. Разработаны алгоритмы управления манипулятором для захвата предметов с учётом адаптивности развиваемых усилий на объекте захвата. Полученные результаты позволят на Этапе 3 работ выполнить разработку программных модулей для управления элементами манипулятора. Экономичность разработанных моделей позволит на Этапе 3 разработать встраиваемые вычислительные модули и провести отладку разработанных алгоритмов на Этапе 4 при проведении экспериментальных исследований.

В глобальном плане разрабатываемые манипуляторы могут использоваться в сферах бытовой, военной, промышленной и медицинской робототехники для выполнения рутинных контактных операций, что в итоге приведет к удешевлению выполнения подобных операций и замене рутинного или опасного человеческого труда, что повлечет множество положительных эффектов, так как позволит высвободить человеческие ресурсы для выполнения более сложных процессов, пока слабо поддающихся автоматизации.


Текущие результаты проекта:
В рамках выполнения работ по 1 этапу проекта были получены следующие результаты:

1) Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, разработан раздел 1 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ», содержащий описания следующих результатов:
а) принципов биомеханики кисти руки человека, как основы для разработки механической части антропоморфных захватов;
б) механических принципов функционирования антропоморфных захватов с использованием бионического подхода;
в) основных применяемых конструктивно-компоновочные решений антропоморфных захватов;
г) информационно-измерительных систем антропоморфных захватов
д) систем управления антропоморфными захватами;
2) Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96», разработан раздел 2 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96» и приложение к промежуточному отчету о ПНИ по 1 этапу «ПРИЛОЖЕНИЕ А. Отчет о проведении патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96», содержащий описания следующих результатов:
а) постановки задач патентных исследований;
б) проведения патентного поиска;
в) проведения анализа результатов патентного поиска;
г) проведения обобщения результатов патентного поиска;
3) Исследованы возможные варианты решения задач ПНИ и проведены выбор и обоснование оптимального направления проведения исследова-ния, по результатам которых был сформирован прогнозируемый облик ЭО АМЗ. Разработан раздел 3 промежуточного отчета о ПНИ по 1 этапу «Выбор и обоснование направлений исследований», содержащий описания следующих результатов:
а) методов решения поставленных задач ПНИ;
б) средств решения поставленных задач ПНИ;
в) направлений исследований и способов решения поставленных задач ПНИ;

В рамках выполнения работ по 2 этапу проекта были получены следующие результаты:

1) Выполнена разработка математических (ММ1) и программных моделей (ПМ1), описывающих кинематику и динамику ЭО АМЗ на основе линейных и нелинейных дифференциальных уравнений и разработан Раздел 1 промежуточного Отчёта ПНИ по 2 этапу «Разработка математических (ММ1) и программных моделей (ПМ1), описывающих кинематику и динамику ЭО АМЗ на основе линейных и нелинейных дифференциальных уравнений», содержащий описания следующих результатов:
а) Модель электропривода;
б) Модель суставов (элемент одиночного исполнительного звена);
в) Модель наборов суставов, образующих одиночный захват (палец, группа исполнительных звеньев);
г) Модель набора одиночных захватов образующих захват в це-лом(кисть);

2) Выполнена разработка математических (ММ2) и программных моделей (ПМ2) системы управления приводами исполнительных групп звеньев, разработан Раздел 2 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка математических (ММ2) и программных моделей (ПМ2) системы управления приводами исполнительных групп звеньев», содержащее описание ММ2:
а) Модель электропривода;
б) Модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев;
Описание способов построения интеллектуальных адаптивных контроллеров на основе комбинации подходов, основанных на применении искусственных нейронных сетей, ПИД-регуляторов и предиктивных регуляторах.
Разработанная математическая модель (ММ2) системы управления может быть использована при проектировании систем управления сервоприводами для решения задач динамического управления и удержания положения выходного вала. На основе разработанной математической модели была произведена программная реализация модели в среде MATLAB Simulink.

3) Проведена проверка разработанных моделей на точность и адекват-ность, разработан Раздел 3 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Проверка разработанных математических моделей (ММ1 и ММ2) на точность и адекватность». Экспериментально было установлено, что значения координат и развиваемых усилий, найденные с помощью настоящей модели полностью совпадают с данными, которые можно получить при использовании эталонной модели.

4) Разработана принципиальная кинематическая схема ЭО АМЗ, разработан Раздел 4 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка принципиальной схемы (ПрСХ1) построения кинематически зависимых движений исполнительных групп звеньев», содержащего описание разработки кинематической схемы ЭО АМЗ с учётом адаптации к форме предмета. Разработано Приложение Ж промежуточного отчёта о ПНИ по 2 этапу, содержащее принципиальную кинематическую схему ЭО АМЗ.

5) Разработана программная документация на ПМ1 и ПМ2, разработан Раздел 5 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка программной документации на программные модели (ПМ1 и ПМ2)», разработаны Приложения А,Б,В,Г,Д и Е промежуточного отчёта о ПНИ по 2 этапу, содержащие:
а) Текст программы специальное программное обеспечение модели-рования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.401-78 (Приложение А)
б) Описание программы специальное программное обеспечение моделирования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.402-78 (Приложение Б)
в) Описание применения специальное программное обеспечение мо-делирования кинематики и динамики антропоморфного манипулятора (ПМ1) в соответствии с ГОСТ 19.502-78 (Приложение В)
г) Текст программы специальное программное обеспечение про-граммная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.401-78 (Приложение Г)
д) Описание программы специальное программное обеспечение программная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.402-78 (Приложение Д)
е) Описание применения специальное программное обеспечение программная модель системы управления приводами исполнительных групп звеньев (ПМ2) в соответствии с ГОСТ 19.502-78 (Приложение Е)

6) Разработаны принципы построения ЭО АМЗ с малой удельной массой, разработан Раздел 6 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка принципов построения ЭО АМЗ с малой удельной массой и адаптивными свойствами относительно захватываемого объекта», содержащего описание разработки кинематической схемы ЭО АМЗ с учётом адаптации к форме предмета.

7) Разработаны принципы силового взаимодействия манипулятора с объектом захвата, разработан Раздел 7 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка протоколов силового взаимодействия и управления исполнительными группами звеньев с захватываемыми объектами», содержащий описание подхода к построению системы управления процессом захвата предметов с помощью ЭО АМЗ в основе которого лежит комбинированный подход из метода синтеза фиксированных паттернов и адаптации по форме предмета уже на стадии непосредственного управления движением исполнительных групп звеньев.

8) Разработан бинарный протокол обмена данными, описан набор пакетов данных, разработан Раздел 8 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка протоколов обмена данными для приёма команд управления позиционированием приводов и передачи телеметрии», содержащий описание бинарного протокола обмена данными, обеспечивающего как широкополосную передачу команд нескольким потребителям для синхронного управления, так и контроль целостности пакетов.

9) Разработан алгоритм управления приводами исполнительных групп звеньев на базе адаптивности усилий (ПрИГЗ-АУ), развиваемых на захватываемом объекте, разработан Раздел 9 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев на базе адаптивности усилий (ПрИГЗ-АУ), развиваемых на захватываемом объекте», содержащее описание алгоритма.


10) Разработаны алгоритмы управления процедурой захвата ЭО АМЗ, разработан Раздел 10 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов управления кинематическими звеньями ЭО АМЗ с контролем распределенного давления (ПрКЗЗУ-КРД) на их рабочих поверхностях и реализующие принципы инверсной кинематики и динамики», содержащий описание способов формирования траектории движения на основе предварительно сформированных паттернов захватов, описание паттернов захвата, и алгоритм взаимной синхронизации движения исполнительных групп звеньев.

11) Разработаны алгоритмы предварительной обработки данных, получаемых от датчиков обратной связи, разработан Раздел 11 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Разработка алгоритмов обработки данных системы датчиков обратной связи (СДОС)», содержащий описание первичной обработки информационных сигналов от датчиков обратной связи на основе фильтрации с использованием фильтра Калмана.

12) Проведено моделирование разработанных алгоритмов управления с использованием пакетов MATLAB Simulink и GraspIt!. разработан Раздел 12 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Моделирование алгоритмов управления манипулятором на основе разработанных математических моделей», содержащий описание процедуры и результатов моделирования в пакете MATLAB Simulink алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев, а также процедуры управления захватом предметов с использованием симулятора GraspIt!.
13) Проведён анализ соответствия результатов проекта, достигнутых на Этапе 2 ПНИ требованиям, разработан Раздел 13 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Соответствие результатов проекта, достигнутых на Этапе 2 ПНИ требованиям ТЗ», содержащий сверку результатов с требованиями ТЗ.
14) Проведены предварительные действия для участия в 2015 году в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ, разработан Раздел 14 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Об участии в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ», и Приложение Ж «Об участии в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИ »содержащие сведения о планируемых мероприятиях.

15) Подготовлено предварительное содержание документов для заявки на Программу для ЭВМ по теме «Программа управления приводами исполни-тельных групп звеньев на базе адаптивности усилий, развиваемых на захватываемом объекте» для последующего проведения дополнительных патентных исследования на Этапе 4 ПНИ, разработан Раздел 15 промежуточного отчета о ПНИ по 2 этапу «Сведения о планируемых РИД», и Приложение К «Отчет о планируемых РИД» содержащие сведения о планируемых РИД на 2015 году.

16) Проведена доработка системы технического зрения (СТЗ) на базе стереоскопического сенсора глубины для автоматического распознавания типа захватываемого предмета с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда, разработан Раздел 1 Научно-технического отчета по работам, выполняемым за счет ВБС, оформленного на основе положений ГОСТ 7.32-2001 – «Доработка системы технического зрения (СТЗ) на базе стереоскопического сенсора глубины для автоматического распознавания типа захватываемого предмета с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда»

17) Проведена разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) и Программной документации (ПрД) на МЗШ и СТЗ, разработан Раздел 2 Научно-технического отчета по работам, выполняемым за счет ВБС, оформленного на основе положений ГОСТ 7.32-2001 – «Разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) и Программной документации (ПрД) на МЗШ и СТЗ»

1. В рамках выполнения работ по 3 этапу проекта на данный момент получены следующие результаты: (в скобках дана степень завершенности выполнения в % по отн. к 100%):
1) По п. 3.1 ПГ (50%):
а) разраб. программный модуль позиционного регулятора сервопривода
2) По п. 3.2 ПГ (50%):
а) разраб. программный модуль обмена данными
3) По п. 3.3 ПГ (50%):
а) разраб. программный модуль формирования паттернов захвата
4) По п. 3.4 ПГ (50%):
а) разраб. описание программы
5) По п. 3.5 ПГ (50%):
а) разраб. описание программы
6) По п. 3.6 ПГ (50%):
а) разраб. описание программы
7) По п. 3.7 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная
8) По п. 3.8 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная
9) По п. 3.9 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная СДОС
б) разраб. схема электрическая принципиальная МСЭ
10) По п. 3.10 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная ПрИГЗ-АУ
11) По п. 3.11 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная ПрКЗЗУ-КРД
12) По п. 3.12 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная СДОС
13) По п. 3.13 ПГ (50%):
а) разраб. схема электрическая принципиальная МСЭ
14) По п. 3.14 ПГ (50%):
а) разраб. варианты компоновки ЭО АМЗ
15) По п. 3.15 ПГ (50%):
а) разраб. чертёж общего вида
б) разраб. сборочный чертёж
16) По п. 3.16 ПГ (100%):
а) разраб. ПМЭИ
17) По п. 3.17 ПГ (50%):
а) изготовлены отдельные элементы конструкции пальцев манипулятора
18) По п. 3.18 ПГ (50%):
а) разраб. чертёж общего вида
б) разраб. габаритный чертеж
19) По п. 3.19 ПГ (50%):
а) изготовлены детали конструкции ИС