Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0124

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0124
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики"
Название доклада
Разработка комплекта модулей мобильной робототехники для макетирования и отладки алгоритмов управления
Докладчик
Шмаков Олег Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Робототехника – передовое направление науки и техники, включающее в себя множество различных областей (конструирование, макетирование, программирование и др.). Одной из важнейших проблем современной робототехники в РФ является развитие образовательных программ, и как следствие, – создание качественных и надежных инструментов для обучения, которые предоставляли бы необходимое аппаратное и программное обеспечение для решения робототехнических задач.
Ключевая цель данного исследования – это разработка комплекта научно-технических решений (средств) для макетирования робототехнических систем и отладки алгоритмов управления. Основной задачей в таком контексте является необходимость обеспечения модульности комплекта, которая способствовала бы простой, быстрой сборке и в дальнейшем бы позволила сократить время, необходимое для создания роботов, и тем самым сконцентрироваться непосредственно на реализации алгоритмов управления.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время на рынке РФ отсутствуют робототехнические комплекты модулей отечественного производства высокого качества, которые были бы пригодны для решения широкого круга задач: образовательных и возникающих при прототипировании и отладке мобильных робототехнических устройств. Входящие в состав комплекта модули должны не только обладать широкой областью применения, но и быть просты в использовании и надежны.
Для создания таких модулей следует провести информационный поиск и анализ существующих решений, выполнить расчеты и компьютерное моделирование, проработать различные варианты компоновки возможных робототехнических систем на базе предполагаемых модулей, разработать конструкторскую документацию и провести экспериментальные исследования изготовленного комплекта модулей. Существующие на сегодняшний день комплекты зачастую выполнены без должной проработки, что является причиной ряда проблем: отсутствие надежных деталей на отечественном рынке влечет за собой производство низкокачественных модулей; а из-за несбалансированных характеристик существующие готовые комплекты не подходят для решения серьезных задач.
Бесспорно, высококачественный комплект модулей мобильной робототехники необходим для успешного развития робототехники в РФ на всех этапах, начиная с образовательного процесса в школах и университетах, и заканчивая отладкой сложных программных алгоритмов и быстрым прототипированием объектов управления на предприятиях.
Описание исследования

В рамках исследования осуществляется разработка и изготовление робототехнического комплекта, снабженного отечественным программным обеспечением. Особое внимание уделяется надежности и качеству изготовления механических и электронных элементов, устойчивых к типовым ошибкам начинающих разработчиков.

Основные методы исследования, используемые в работе:

  • Информационно-патентный поиск и аналитический обзор существующих конструктивно-компоновочных решений;
  • Проведение необходимых расчетов и компьютерного моделирования;
  • Разработка различных вариантов конструктивно-компоновочных решений комплекта модулей, и декомпозиция разработанных вариантов комплекта на составные части;
  • Разработка эскизной конструкторской документации на модули комплекта и их изготовление;
  • Экспериментальные исследования и испытания модулей комплекта, проработка различных вариантов их компоновки, разработка системы управления и внедрение поддержки связи с контроллером ТРИК;
  • Разработка программного продукта для программирования контроллера и добавление поддержки среды разработки «TRIK Studio».

Информационный поиск в рамках первого этапа позволил проанализировать возможные варианты решения поставленной задачи, а проведение патентных исследований – выявить создаваемые в ходе исследования объекты интеллектуальной собственности для их последующей защиты.

Проведение необходимых расчетов и компьютерного моделирования выявило достоинства и недостатки рассматриваемых вариантов конструктивно-компоновочных решений, что позволило выбрать электромеханические приводы, оптимальные для последующего изготовления экспериментальных образцов.

Разработка различных вариантов конструктивно-компоновочных решений комплекта определила требования к ходовым особенностям и к электронике системы управления. В связи с необходимостью разработки унифицированных модулей, баланс их технических характеристик обеспечивала на ранних этапах исследования.

Декомпозиция разработанных вариантов комплекта на составные части позволила выявить необходимое и достаточное количество конструктивных, приводных и электронных модулей для создания будущего комплекта.

Текущая разработка и дальнейшее изготовление модулей комплекта, а также проведение их испытаний позволит оценить выбранные технические решения и оптимизировать характеристики всех узлов (электромеханических, конструктивных и электронных). На первом этапе учитывались существующие теоретические основы и подходы, а также имеющийся опыт разработки.

С помощью специализированной среды разработки будущие пользователи смогут создавать программный код для управления робототехническими устройствами на основе комплекта, используя упрощенный синтаксис и базовые для данного комплекта функции, с возможностью графического программирования. Добавление поддержки среды разработки «TRIK Studio» позволит использовать данный комплект совместно с контроллером ТРИК и создавать сложные системы управления, например, с использованием системы видеозрения.

Результаты исследования

Для физической реализации комплекта модулей, в ходе исследования используется концепция крупной сборки. Данный подход подразумевает создание нескольких типов быстросъемных креплений между модулями, что позволяет производить стыковку модулей без использования мелкого крепежа.

На втором этапе исследования были достигнуты следующие результаты:

  • Разработана эскизная конструкторская документация на комплект модулей;
  • Разработаны трехмерные модели возможных робототехнических систем на основе комплекта модулей (рисунок 1).
  • Описаны математические модели робототехнических средств, возможных на основе комплекта модулей;
  • Проведено теоретическое исследование алгоритмов управления моделями робототехнических средств, возможных на основе комплекта модулей.

В состав разрабатываемого комплекта вошли следующие модули: программируемый модуль управления, автономный источник питания, силовые и вспомогательные коммутаторы питания и управления, силовые и приборные приводные модули, модули приборного оснащения, модули механической передачи.

Для демонстрации всех функциональных возможностей комплекта и с учетом наиболее распространенных задач управления, в ходе исследования макетируются три робототехнические системы (рисунок 1): колесная, гусеничная и трехстепенной манипулятор. Кроме того, представляется возможной сборка и других моделей, – конструктивные возможности комплекта при макетировании ограничены только количеством модулей.

Рисунок 1 – Возможные робототехнические системы на основе комплекта модулей

Существующие на рынке западные предложения робототехнических комплектов (LEGO Mindstorms, Fischertechnik, Makeblock и т.д.), несмотря на свою популярность, зачастую обладают элементной базой, не достаточной для реализации сложных алгоритмов; а их общий конструктив, основанный на мелкой сборке, приводит к тому, что большая часть учебного процесса уделяется макетированию, а не изучению задач управления.

Наиболее успешными, с точки зрения быстроты сборки моделей, являются комплекты модулей MOSS и Cubelets, однако число реализуемых моделей на базе данных комплектов сильно ограничено формой используемых модулей. Более того, конструктивные особенности этих наборов значительно осложняют решение схемотехнических задач – для обеспечения связи модулей друг с другом, они зачастую перегружены функционалом, что неизбежно влечет за собой задержки в линиях связи.

Контроллеры ТРИК, разработанные российскими специалистами, позволяют решать широкий спектр задач, связанных с отладкой алгоритмов, благодаря своей технической оснастке и по этой же причине являются, пожалуй, самым мощным из существующих инструментов для управления робототехническими средствами. Тем не менее, сопутствующие конструктивные недостатки комплекта, а именно – соединение деталей мелким крепежом и отсутствие механической защиты датчиков, не позволяют по достоинству оценить возможности, предоставляемые контроллером.

Таким образом, по-прежнему нереализованным остается предложение, которое одновременно сочетало бы в себе достоинства крупной (модульной) сборки (скорость и простота макетирования) и необходимую для отработки современных алгоритмов электронную оснастку в виде мощного контроллера и различных качественно исполненных датчиков. Именно эти два фактора определяют разработку комплекта модулей мобильной робототехники в рамках исследования.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемый комплект модулей будет полезен как в начальных образовательных учреждениях для обучения детей основам конструирования и робототехники, так и среди старшеклассников и студентов, – для реализации и отладки различных алгоритмов управления.
Более того, предлагаемое решение может стать эффективным инструментом в разработке и прототипировании мобильных робототехнических платформ и промышленных робототехнических комплексов квалифицированными специалистами в исследовательских институтах и на производственных предприятиях.
Учитывая широкую область применения комплекта модулей мобильной робототехники, большое число потенциальных пользователей приведет к увеличению объема производства и позволит снизить стоимость комплекта по сравнению с импортными аналогами, а последующее массовое распространение комплекта в РФ повысит его конкурентоспособность, что в конечном счете может обеспечить экспортный потенциал.
Постер

14.578.21.0124.ppt