Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование комплекса программных решений создания энергоэкономичных систем управления механикой движения антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.

Номер контракта: 14.609.21.0004

Руководитель: Климчик Александр Сергеевич

Должность: Руководитель Лаборатории Интеллектуальных Робототехнических Систем

Организация: Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Организация докладчика: Автономная некоммерческая организация высшего образования «Университет Иннополис»

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
антропоморфный робот, бипедальный робот, антропоморфный двуногий шагающий робот (дшр), статическое равновесие, динамическое равновесие, алгоритмы управления движением робота, траектория движения, математическое моделирование, функциональное моделирование, интеллектуальный анализ сенсорных данных, нелинейная динамика и контроль, оптимизация на основе биологических данных, стабилизация положения, траектория точки нулевого момента, обработка информации в системе управления, верификация и валидация моделей, энергоэффективность

Цель проекта:
1. Сегодня одной из самых актуальных задач робототехники является задача разработки многофункциональных роботов повышенной проходимости, способные передвигаться, функционировать и выполнять определенную работу в рассчитанной, в первую очередь, на человека среде, в том числе в тяжелых и опасных условиях. В числе основных требований к подобным системам ­ способность заменить человека при выполнении разнообразных операций, включая способность передвижения в зданиях и использования изначально созданной для человека техники. Это, в свою очередь, накладывает на робота ограничения, связанные с антропоморфностью, т.е. тактико­технические характеристики робота должны учитывать типичные размеры, массу, кинематику и динамику человеческого тела, и сравнимую с человеком энергоэффективность выполнения операций. Наш проект направлен на расширение спектра задач, решаемых бипедальным роботом путем создания новых, а также улучшения и доработки существующих методов управления устойчивым движением двуногого шагающего робота (ДШР). В рамках прикладных научных исследований (ПНИ) разрабатываются алгоритмы обработки информации с датчиков в режиме реального времени и управления приводами робота для передвижения в сложной окружающей среде, образуя тем самым систему управления устойчивым движением антропоморфной робототехнической платформы. 2. Цели реализуемого проекта: - Исследование и разработка комплекса программных решений создания систем управления движения антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия. - Создание экспериментального образца программного комплекса системы управления движением антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными практическими и экспериментальными результатами проекта является создание алгоритмов, программных продуктов и объектов интеллектуальной собственности, направленных на улучшение текущих характеристик статической и динамической стабильности, степени антропоморфности движения и энергоэффективности ДШР, и совершенствование методов управления и контроля движения ДШР.
При этом, основным практическим результатом проекта явится внедрение разработанных систем управления устойчивым движением в ДШР российского производства линейки AR-600, которые в будущем могут использоваться как при выполнении работ в тяжелых и опасных условиях, так и для взаимодействия с человеком в отрасли социальной робототехники.
2. Основные характеристики результатов проекта и научной продукции представлены ниже:
• Робастные методы управления ДШР с 41 степенью свободы, позволяющие контролировать робот в реальном времени и получить быструю, статически и динамически устойчивую, энергоэффективную походку.
• Эффективные алгоритмы обработки информации с датчиков робота (лазерных дальномеров, видеокамер, датчиков положения и др.) в режиме реального времени и управления 14 приводами ног робота для передвижения в сложной окружающей среде.
• Программная реализация алгоритмов управления движением робота для существующих антропоморфных робототехнических платформ AR-601M и AR-603Е.
• Программные симуляции разработанных алгоритмов робота в 3D симуляторе Gazebo под управлением робототехнической операционной системы ROS, моделирующие реалистичные сценарии передвижения робота.
• Рекомендации по повышению качества управления движением существующих бипедальных робототехнических платформ линейки AR-600 индустриального партнера, а также по характеристикам и ограничениям на используемые элементы робота (привода, сенсоры, соединения и т.п.).
• Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации роботов индустриального партнера в реальном секторе экономики.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом для нашего проекта является комплекс алгоритмов и программных решений для системы управления движения антропоморфных ДШР, интегрированный в создаваемый нами экспериментальный образец (ЭО) программного комплекса системы управления (ПКСУ) движением антропоморфных ДШР-комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.
Широкое использование разрабатываемых решений позволит расширить применимость антропоморфных роботов с получением значительных социально-экономических эффектов: (1) в результате использования ДШР вместо человека на тяжелых и опасных работах будет повышена производительность и безопасность труда, снижен риск увечий и смертности на производстве; (2) как следствие более высокой точности и скорости выполнения операций роботами по сравнению с человеком, будет снижена материалоемкость и энергоёмкость производства; (3) при использовании робота в домашнем хозяйстве в роли робота-помощника ожидается повышение качества и увеличение продолжительности жизни для нетрудоспособной части населения.
Разрабатываемые алгоритмы интегрируются в систему управления коммерческого ДШР ёсерии AR-600, повышая их привлекательность для конечного пользователя. В перспективе эти роботы станут востребованными коммерческими продуктами, как для государственных предприятий (например, в химической, космической или ядерной промышленности), так и для частных компаний (в сферах производства с высокоточной сборкой и оказания рекламных услуг) и обслуживания частных лиц в роли робота-помощника.
2. С точки зрения новизны предложенных к разработке научных и технологических решений, благодаря многоцелевому подходу к решению поставленных задач ПНИ и плотному взаимодействию с индустриальным партнером на всех этапах исследований, разрабатываемый комплекс алгоритмов и программных решений не будут уступать существующим лучшим мировым аналогам по ключевым параметрам статической и динамической стабильности, степени антропоморфности и энергоэффективности выполняемых в процессе движения операций.
3. О том насколько автономная равновесная ходьба робота является сложной задачей, свидетельствует тот факт, что в международном соревновании DARPA Robotics Challenge, проводимом 5-6 июня 2015 года в Помоне (Калифорния, США), большинство роботов (из 25 команд) управлялись в режиме телеоперации, а победителем стал робот Hubo (Институт прорывных исследований в науке и технике, KAIST, Корея), который передвигался двумя способами: в одних ситуациях шагал, как человек, в других – для быстроты перемещения садился на колени и ехал на маленьких колесиках. В настоящее время, хорошие результаты статически и динамически равновесной ходьбы внутри помещений (с простыми напольными покрытиями) демонстрируют такие автономные программируемые человекоподобные роботы, как, полноразмерный робот ASIMO (Honda, Япония), полноразмерный робот REEM-C (PAL Robotics, Испания), 58-сантиметровый робот NAO (Aldebaran Robotics, Франция). Лидером в настоящее время, можно считать робот ASIMO, способный бегать, прыгать, скакать на одной ноге, подниматься и спускаться по лестнице и выполнять другие сложные действия.
Целевой потребитель нашего исследования - индустриальный партнер проекта ПАО «НПО Андроидная техника» с роботами линейки AR-600. Для таких роботов мы используем продвинутые алгоритмы динамически устойчивой ходьбы, базирующиеся, в числе прочих, на методе контроля точки нулевого момента педипуляторов робота (этот метод также используется и в роботе ASIMO: при этом детальная информация о методах контроля ходьбы робота ASIMO является ноу-хау и не разглашается компанией-производителем). Однако, по факту, каждая определенная модель робота требует эксклюзивного подхода для решения задач устойчивой ходьбы, учитывая размеры, массу, кинематику и динамику движения частей тела робота, число степеней свободы кинематической структуры, а также реальные возможности приводов и соединений.
Конкурентные достоинства нашей разработки:
• Наличие симуляционной модели роботов линейки AR-600, позволяющей существенно увеличить охват и качество тестирования, ускорить время тестирования и трудозатраты по его проведению, и, самое главное, протестировать методы управления движением робота и сценарии ходьбы, не прибегая к риску повреждения реального дорогостоящего робота (после успешного тестирования модели будет в обязательном порядке проведена последующая верификация нашей разработки на реальном роботе).
• Высоконадежные алгоритмы статически и динамически устойчивой ходьбы робота линейки AR-600.
• Антропоморфность и энергоэффективность движений робота линейки AR-600.

Следует подчеркнуть, что ПАО «НПО Андроидная техника» является единственным в России производителем полноразмерных антропоморфных роботов. Соответственно, внедрение наших алгоритмов управления движением в роботы линейки AR-600 позволит решить задачу импортозамещения и использовать российские роботы в различных условиях и прикладных областях.
4. Заявленные результаты будут достигнуты путем последовательного выполнения этапов проекта:
• Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач:
- Разработка математической модели системы управления движением робота.
- Моделирование системы управления робота.
- Разработка эффективных и робастных методов управления ДШР для получения быстрой, устойчивой и энергоэффективной походки.
- Разработка алгоритмов получения и обработки информации с датчиков робота в режиме реального времени и управления приводами робота для передвижения в сложной окружающей среде
• Разработка экспериментального образца программного комплекса системы управления (ЭО ПКСУ):
- Изготовление и отладка экспериментального образца полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП).
- Программная реализация алгоритмов управления движением робота для существующих антропоморфных робототехнических платформ линейки AR-600.
- Разработка экспериментального образца программного комплекса системы управления.
- Разработка программы и методики экспериментальных исследований ЭО ПКСУ.
- Моделирование системы управления робота.
- Программное моделирование (симуляция) разработанных алгоритмов робота в 3D симуляторе, моделирующее реалистичные сценарии передвижения робота.
• Экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач:
- Изготовление и отладка полигона для проведения экспериментальных исследований ЭО ПК СУ совместно с ЭО РП.
- Разработка программы и методики экспериментальных исследований ЭО ПКСУ.
- Проведение экспериментальных исследований ЭО ПКСУ.
• Разработка предложений и рекомендаций по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей, и особенностей исполнительных приводов.

Ограничения и риски в достижении быстрой, энергоэффективной и динамически устойчивой ходьбы могут быть связаны с ограничениями на развиваемые моменты приводов робота и точность в отработке команд на угловые и линейные перемещения суставов и частей тела робота. В случае несоответствия характеристик приводов и датчиков положения требуемым, теоретически полученным характеристикам, которые необходимы для быстрой, энергоэффективной и динамически устойчивой походки робота (успешно опробованной на симуляционной 3D модели), будут разработаны предложения и рекомендации по замене существующих исполнительных устройств, электромеханических преобразователей, приводных механизмов и позиционер робота на другие (например, на более мощные приводные механизмы).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта будут широко использованы при разработке систем управления, обеспечивающих устойчивое движение ДШР. В перспективе роботы линейки AR-600 могут стать востребованными коммерческими продуктами, как для государственных предприятий (например, в химической, космической или ядерной промышленности), так и в частных компаниях (в сферах высокоточного производства и оказания рекламных услуг) и обслуживания частных лиц в роли робота-помощника.
2. Целевой потребитель нашего исследования - индустриальный партнер проекта ПАО «НПО Андроидная техника» с роботами линейки AR-600. Нами предусмотрено практическое внедрение результатов проекта при создании обеспечивающих устойчивое движение новых систем управления ДШР для роботов AR-600, которые могут использоваться, как для выполнения работ в тяжелых и опасных условиях, так и для непосредственного взаимодействия с человеком в отрасли социальной робототехники.
3. Разрабатываемые нами алгоритмы направлены на улучшение текущих характеристик параметров статической и динамической стабильности, степени антропоморфности процесса движения и энергоэффективности как существующих, так и находящихся в стадии разработки моделей ДШР российского производства линейки AR-600. Стабильность движения является ключевым требованием к работе ДШР, т.к. все последующие более сложные операции основаны именно на базовом умении ДШР эффективно двигаться.
Практическое внедрение разработанных систем управления в ДШР российского производства линейки AR-600 сделает возможным использование антропоморфных роботов в различных областях науки и техники, с получением социально-экономических эффектов: (1) повышение производительности и безопасности труда, а также снижение травмоопасности и смертности при производстве в результате замены человека роботом на тяжелых и опасных работах; (2) повышение качества изготовления деталей, снижение материало- и энергоёмкостей производства, как следствие более скоростной, точной и производительной работы роботов по сравнению с человеком; (3) повышение уровня комфорта и увеличение продолжительности жизни для нетрудоспособной части населения при использовании робота в домашнем хозяйстве в роли робота-помощника.
4. К разрабатываемым нами алгоритмам движения предъявляются требования высокой антропоморфности динамики движений и максимальной энергоэффективности. Таким образом, актуальность решаемых нами в рамках ПНИ проблем не только соответствует передовым интересам развития робототехники, но, прежде всего, обуславливается требованиями импортозамещающей индустриализации и сокращения разрыва в отставании российской робототехники от зарубежных аналогов в области бипедальных робототехнических систем и соответствует передовым интересам развития робототехники в целом.
В рамках международного сотрудничества, возможными потребителями продукции (алгоритмов и программных решений для достижения системами управления движения антропоморфных роботов быстрой, энергоэффективной и динамически устойчивой походки) могут стать мировые производители ДШР, такие как, PAL Robotics (Испания); Aldebaran Robotics (Франция) и др.

Текущие результаты проекта:
По результатам обзора аналитической литературы и патентных исследований определены направления проведения исследований, а также обоснована эффективность предлагаемых к разработке методов и алгоритмов. Разработана кинематическая модель робота и многоуровневые математические модели системы управления движением робота в среде Matlab/Simulink с учетом физических характеристик робота AR-601М. Проведено моделирование системы управления робота в среде Matlab/Simulink. Разработаны алгоритмы получения и обработки информации с датчиков робота. Разработаны алгоритмы расчета управляющих воздействий и управления исполнительными механизмами робота. Получена соответствующая роботу AR-601M кинематическая модель двуногого шагающего робота (ДШР) с 41 степенью свободы в средах Matlab/Simulink и ROS/Gazebo. Эта модель использована в среде моделирования Matlab/Simulink для отработки алгоритмов походки с базовыми компонентами, аналитическими подходами и ПИД-регуляторами. В симуляции проверена и проанализирована работа нескольких алгоритмов расчета управляющих воздействий, проведен расчет моментов сил в суставах робота; разработана система управления ходьбой для данной модели ДШР. Разработана система захвата движении на основе сенсоров Kinect; получены, обработаны и проанализированы экспериментальные данные ходьбы человека. Начата программная реализация разработанных алгоритмов для управления движением робота AR-601M посредством робототехнической операционной системы (ROS). Все вышеуказанные разработки проведены для экспериментального образца полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП) модели AR-601М.
Индустриальный партнер осуществил разработку и конструирование экспериментального образца полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП) AR-603Е для проведения экспериментальных исследований по ПНИ, осуществил изготовление, отладку и тестирование ЭО ПРП AR-603Е. Начата разработка полигона для проведения экспериментальных исследований экспериментального образца (ЭО) программного комплекса системы управления совместно с ЭО робототехнической платформы.
С целью освещения и популяризации промежуточных результатов ПНИ сотрудники исследовательской группы приняли участие в ряде мероприятий, включая выступления на конференциях и посещение выставок.
Параллельное одновременное использование двух полноразмерных роботизированных платформ - существующей AR-601M в Университете Иннополис и разрабатываемой AR-603E в ПАО «НПО Андроидная техника» - осуществляется для выполнения целей ПНИ. Удобство работы с двумя шагающими роботами заключается в возможности параллельного тестирования и проверке воспроизводимости результатов программного обеспечения как в Университете Иннополис, так и в НПО «Андроидная техника». При этом, выявленные при тестировании существующей модели ДШР AR-601M недостатки (в механике, управлении, датчиках, в программном обеспечении и пр.) используются Индустриальным партнером, как рекомендации для улучшения экспериментального образца AR-603E и включения изменений в рабочую конструкторскую документацию (РКД) для совершенствования технологии производства данного типа робота. Следует отметить, что модель антропоморфного робота AR-603E имеет ту же архитектуру построения и структуру программного обеспечения, что и модель AR-601М, но при этом имеет ряд обусловленных усовершенствований, таких как увеличенное количество степеней свободы (без изменения габаритов изделия), увеличенная производительность процессора в 3 раза, и др. В процессе работы двух антропоморфных платформ разрабатывается совместимое универсальное ПО, позволяющее работать на обоих роботах (AR-601M и AR-603E).