Регистрация / Вход
Прислать материал

14.609.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.609.21.0004
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Название доклада
Разработка и исследование комплекса программных решений создания энергоэкономичных систем управления механикой движения антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.
Докладчик
Климчик Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью нашего проекта является разработка комплекса алгоритмов и программных решений по созданию систем управления механикой движения антропоморфных ДШР и создание экспериментального образца программного комплекса системы управления движением антропоморфных ДШР-комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.
Цели реализуемого проекта:
- Исследование и разработка комплекса программных решений создания систем управления механикой 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.
Актуальность и новизна исследования
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 будет уступать существующим аналогам по ключевым параметрам статической и динамической стабильности, степени антропоморфности и энергоэффективности выполняемых в процессе движения операций. Сопоставление с определяющими мировой уровень результатами аналогичных работ показало, что представленные к отчету результаты полностью соответствуют мировому уровню по качественно-количественным показателям.
Описание исследования

Сегодня одной из самых актуальных задач робототехники является задача разработки многофункциональных роботов повышенной проходимости для выполнения различных работ, 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 ­ 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, которые могут быть поставлены бипедальному роботу путем создания новых, а также улучшения и доработки существующих методов управления устойчивым движением двуногого шагающего робота (ДШР). В рамках ПНИ разработаны алгоритмы обработки информации от датчиков робота, алгоритмы принятия решений на основе собранной информации и алгоритмы управления устойчивым движением антропоморфной робототехнической платформы.

На первом этапе была разработана математическая модель робота в средах динамического моделирования SimMechanics и . Были решены задачи прямой и обратной кинематики для рук и ног робота. С помощью алгоритмов движения по заранее заданной траектории углов поворота в приводах (базисные элементы ходьбы) была реализована походка в виртуальной среде.

Далее для контроля динамической устойчивости и выбора оптимальной траектории движения робота была использована концепция точки нулевого момента (ТНМ). В виртуальной среде были реализованы устойчивые передвижения робота как по алгоритмам без обратной связи, так и по алгоритмам с использованием контроля координат центра масс по обратной связи с датчиков в стопе.

Для управления роботом был разработан программный пакет в операционной среде ROS, к котором реализованы функции обратной кинематики, обработки показаний сенсоров, формирования управляющих сигналов на привода.

На роботе реализована устойчивая походка в квазистатике. Однако скорость передвижения при реализации такой схемы контроля не может быть большой. Эксперименты показали, что реализация алгоритмов без обратной связи на реальном роботе затруднена из-за неточностей в размерах робота, несимметричности распределения массы робота, ошибки в калибровке углов на нуль, а также из-за несовершенства электроприводов.

Следующим шагом в разработке походки робота являлось использование в роботе алгоритмов с обратной связью, использующих показания сило-моментных датчиков в ногах а также показания гироскопа. Одним из таких алгоритмов является алгоритм Preview Control. В основе алгоритма лежит математическая модель обратного физического маятника, которая дает описание поведения ТНМ. Учитывая текущие и будущие значения координат желаемой траектории ТНМ а также ошибку ТНМ, рассчитываемую с помощью датчиков на стопах, рассчитывается управляющий сигнал на робот. Данный алгоритм позволяет добиться существенного увеличения скорости по сравнению с методами квазистатики, дает стабильную походку при незначительных неровностях и наклонах поверхности, а также позволяет задавать любые траектории движения. Помимо устойчивого движения, алгоритм позволяет добиться стабилизации робота при внешнем воздействии.

Далее с помощью вышеописанного алгоритма была реализована система управления роботом командами высокого уровня, где на входе задается либо кривая траектории походки и скорость, либо направление движения (вперед, назад, вправо, влево), количество шагов и скорость. При этом робот работает полностью автономно и может управляться удаленно.

 

Результаты исследования

На первом этапе работ по проекту выполнен аналитический обзор литературы и патентные исследования в рамках ПНИ, включая российские и зарубежные источники. Объектами исследований являлись существующие модели антропоморфных ДШР, методы сбора  информации о механике движения человека и ДШР для последующего математического моделирования, способы моделирования механики движения человека и ДШР, способы и системы управления механикой движения ДШР с сохранением статического и динамического равновесия. По результатам обзора и патентных исследований определены направления проведения исследований, а также обоснована эффективность предлагаемых к разработке методов и алгоритмов. Индустриальный партнер осуществил разработку и конструирование экспериментального образца полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП) для проведения экспериментальных исследований по ПНИ.

На втором этапе работ 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. Все вышеуказанные разработки проведены для экспериментального образца полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП). Индустриальный партнер осуществил изготовление и отладку ЭО ПРП.

На третьем этапе работ по проекту была выполнена программная реализация разработанных алгоритмов управления исполнительными механизмами (сервоприводами) шагающего антропоморфного робота. Выполнена разработка экспериментального образца программного комплекса системы управления (ЭО ПКСУ) на основе контроля статического и динамического равновесия. Разработаны программа и методика экспериментальных исследований ЭО ПКСУ. Индустриальным партнером были выполнены разработка и конструирование полигона для проведения экспериментальных исследований ЭО ПКСУ совместно с ЭО ПРП.

За 4 этап работ были реализованы ранее разработанные алгоритмы по устойчивой ходьбе робототехнических платформ AR-601M, Aldebaran NAO и Darwin-OP. Были проведены успешные эксперименты согласно программе и методикам экспериментов ЭО ПКСУ. Также были произведены теоретические работы по оптимизации траектории движения робота и генерации оптимальных примитивов для заданных внешних условий перемещения робота. В рамках подготовки заявки на получение охранного документа результатов интеллектуальной деятельности были проведены дополнительные патентные исследования.  Индустриальным партнером были произведены изготовление и отладка полигона для проведения экспериментальных исследований ЭО ПКСУ совместно с ЭО ПРП.

Результаты экспериментов показывают, что робот успешно отрабатывает команды высокого уровня по перемещению. Также показаны результаты стабилизации робота при внешнем воздействии. Полученные результаты проекта полностью соответствуют требованиям технического задания проекта. С целью освещения и популяризации результатов ПНИ сотрудники исследовательской группы приняли участие в ряде мероприятий, включая выступления на конференциях и посещение выставок.

 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые 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.
В результате широкого использование вышеуказанных ДШР ожидаются значительные социально-экономические эффекты: за счет использования ДШР вместо человека на тяжелых и опасных работах будет повышена производительность и безопасность труда, снижен риск увечий и смертности на производстве; как следствие более высокой точности и скорости выполнения операций ДШР по сравнению с человеком, будет снижена материалоемкость и энергоёмкость производства; при использовании ДШР в домашнем хозяйстве в роли робота-помощника будет повышено качество жизни, увеличена продолжительность, активность и качество жизни инвалидов и престарелой части населения.