Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0191

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0191
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"
Название доклада
Исследование научно-технических решений и разработка экспериментального образца многоцелевого двурукого робота-помощника на мобильной платформе, способного заменить человека при удаленном выполнении различных задач
Докладчик
Кречетов Иван Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: Разработка программно-аппаратных технических решений в области создания универсального робота-помощника, для выполнения различных простых задач, с целью замены человеческого труда
Задачи проекта:
Исследование и разработка методов выполнения автоматизированной работы многозвенными манипуляторами в составе мобильного робота
Исследование и разработка методов обеспечения безопасной для человека работы при выполнении совместных операций
Исследование и разработка методов стабилизации платформы и автономного передвижения мобильного робота внутри помещений, включая методы навигации, построения и редактирования карт, планирования маршрутов и объезда препятствий.
4. Разработка алгоритмов и создание на их основе программного обеспечения для:
а) Программирования заданий для манипуляторов посредством анализа движения и манипуляций оператора над выбранным предметом с последующим автоматизированным повторением заданных действий
б) Взаимодействия между манипуляторами – для выполнения согласованных действий одновременно двумя манипуляторами и для взаимной координации в пространстве
в) Совместной работы с человеком
г) Перемещения и навигации мобильного робота в условиях недетерминированного, динамически меняющегося окружения
5. Разработка оптимальных конструктивно-компоновочных, аппаратно-программных и схемотехнических решений в составе мобильного робота и последующая сборка экспериментального образца мобильного робота
Актуальность и новизна исследования
Основным результатом проекта должна стать разработка научно-технических решений в области создания универсального робота-помощника. Разработанные решения в дальнейшем могут лечь в основу разработки мобильных роботов-помощников для выполнения различных простых задач, с целью замены человеческого труда и должен быть ориентирован на потребности и вызовы, с которыми столкнется наше общество в ближайшие 5-10 лет, в части замены ручного человеческого труда на производствах, развитии рынка социальной и персональной робототехники, при выполнении работ в опасных зонах, устранении последствий чрезвычайных происшествий.
Разрабатываемый робот-помощник может стать базовой платформой для разработки нового типа программного обеспечения в будущем - навыков роботов.
Разрабатываемый комплекс технических средств будет обеспечивать удалённое управление захватами робота и передачу видеоинформации на рабочее место оператора с эффектом телеприсутствия.
Конфигурируемость системы позволит при минимальных доработках легко изменить конструкцию захвата, позволяя удалённо без непосредственного присутствия человека выполнять замену оконечного устройства манипулятора.
Модульность разрабатываемой архитектуры позволит представить на рынок широкий ассортимент роботов с различным функционалом и стоимостью, предоставляя возможность потребителю при покупке сконфигурировать состав робота (выбрать начальный набор опций) под индивидуальные требования, а так же в будущем будет возможно приобрести дополнительные опции.
Интеллектуальная система технического зрения позволит извлекать семантическое описание окружающего (видимого) пространства.
Описание исследования

Важнейшей частью разрабатываемого робота, вносящей существенный вклад в эффективность применения данной системы, является средство программирования, или обучения робота. Поскольку программирование производится человеком-оператором, для уменьшения человеческого фактора, все ведущие производители коллаборативных роботов стремятся максимально упростить процесс настройки роботов, сделав программирование заданий доступным даже для специалиста не высокой квалификации.Особенностью предложенного подхода является то, что инструмент программирования, или обучения встроен непосредственно в самого робота и процесс программирования можно проводить непосредственно на установленном физическом роботе. Существуют различные реализации средств обучения: управляющие джойстики, установленные на манипуляторах, системы сенсоров развиваемого момента, расположенные в суставах, перчатки виртуальной реальности и прочее.

Также разрабатываемый мобильный робот будет оснащен двумя захватывающими устройствами, установленными на манипуляторы. В части согласованного управления манипуляторами будет разработана модель системы управления одновременным позиционированием двух манипуляторов при выполнении как независимых операций (когда оба манипулятора управляются индивидуально и выполняют персональные операции), так и операций, требующих согласованной работы двух манипуляторов. 

Рассмотрим каждое решение подробнее:

а) Решение проблемы взаимодействия двух манипуляторов в данном контексте: чисто прикладная научная задача. Прикладная по определению: решается новая прикладная проблема (управление манипуляторами на основе совмещения методов импедансного и позиционно-силового управления при использовании системы технического зрения) посредством существующих в науке методов. Научная новизна подтверждена анализом источников и патентного поиска, задача неразрешима методами инженерии, задачу имеет смысл  решать с использованием аппарата научного исследования: создание абстрактной модели исследуемого объекта и проведение эмпирической проверки.
Научная новизна тут заключается в разработке комбинированной системы управления на основе совмещения методов импедансного и позиционно-силового управления с пространственной информацией об объекте манипуляций, извлекаемой при помощи обработки данных системы технического зрения. Совмещение двух методов управления является нетривиальной задачей т.к. как задача их адекватной работы и корреляции во времени представляет собой отдельную большую проблему, неразрешимую методами инженерии. Для эффективного использования преимуществ каждого из методов необходимо привести их к единому базису посредством программной реализации математической модели, описывающей взаимодействие манипуляторов и объектов и ее экспериментальных исследований. На данный момент разрабатываются компоненты математической модели и её программная реализация на основе импедансной и позиционно-силовой систем управления. Задачей экспериментальных исследований будет являться определение оптимальной политики согласованности между позиционно-силовым и импедансным методами управления при синхронизации за счёт использования системы технического зрения для реализации согласованной работы двух манипуляторов.

б) Использование интеллектуальной системы навыков позволит выполнять программирование робота конкретной задаче путём комбинации из нескольких элементарных действий («кирпичиков» навыка):
    определение пространственной ориентации и положения предмета;
    захват предмета;
    измерение массы;
    навигация и движение платформы;
    управление позиционированием «рук» в рамках рабочей зоны;
    перемещение предмета в рабочей зоне (в заданной ориентации в указанное положение) с учётом изменяющейся окружающейся обстановки (статических и динамических препятствий);
    согласованные операции при помощи двух «рук».
Ключевой особенностью при управлении роботом на основе навыков является возможность использования отличающейся конфигурации рабочего пространства (предметного стола, конвейера, размещения зон выкладки объектов, положение оснастки станка). За счёт такой интеллектуальной системы знаний и действий над объектами обеспечивается простота интеграции коллаборативного робота, быстрота масштабирования производства, снижение издержек при увеличении производственных мощностей. Также в уже налаженное производство могут быть гибко внесены изменения существующих операций, либо добавлены новые. В то время как традиционные роботы в подобной ситуации требуют перепрограммирования. 

Результаты исследования

На данный момент получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель, описывающая динамику движения многозвенного манипулятора. Данная
модель позволяет выполнять оценку сил, возникающих в отдельных исполнительных звеньях манипулятора с
учётом текущей конфигурации положений звеньев. Данная модель используется в качестве модели объекта
управления в контуре обратной связи позиционно-силовой системы управления движением манипулятора.
Контур обратной связи позволяет выполнять расчёт выхода объекта управления без непосредственного
воздействия на физическое устройство. Такая политика управления позволяет выполнять оптимальную
подстройку управляющих воздействий и своевременно вносить корректирующие сигналы для достижения
требуемой устойки. На базе модели объекта управления разработаны алгоритмы управления многозвенными
манипуляторами в составе экспериментального образца многоцелевого двурукого робота-помощника, в том
числе, с использованием аналитических методов решения задачи обратной кинематики (о положении).
Использование математической модели динамики движения манипулятора позволяет детектировать нештатные
ситуации, вызванные воздействием на манипулятор извне, таким образом, обеспечивая безопасные режиме
движения для окружающих. Для первых шести степеней свободы (исполнительного орган манипулятора) задача
о положении решается аналитически при помощи однородных матричных. Разрабатываемые манипуляторы
имеют дополнительную, седьмую степень свободы, задача о положении которой решается локально в системе
координат объект-исполнительный орган. Разработанная система управления может работать как в составе
силомоментных сенсоров, непосредственно измеряющих внешние воздействия, так и по оценке воздействия на
основе обработки данных об энергопотреблении и динамики движения отдельных звеньев.
2. По алгоритмам управления манипуляторами с использованием нелинейных регуляторов разработана
программная модель для последующей настройки параметров контуров управления движением исполнительных
звеньев в ходе моделирования. В результате моделирования показана адекватность разработанной
математической модели системы управления. На основе разработанной программной модели будет выполнена
разработка прикладного программного обеспечения управления.
3. Разработаны электронные модули управления движением шасси шасси мобильной платформы. В состав
модулей входить микропроцессор, управляющий коммутацией силовых мостов для питания цепей
электродвигателя. Выполнена разработка эскизной конструкторской документации на разработанные модули.
4. Начата разработка испытательного стенда для испытаний ЭО МДПР на территории Индустриального партнера,
подготовившего испытательный полигон для ЭО МДРП, входящий в состав.


Если сравнивать с аналогами отдельные предлагаемые решения, первое отличие – возможность формирования навыков. По сути это элемент искусственного интеллекта, позволяющий автоматизировать значительную часть выполняемой работы и не прибегать к прямому управлению человеком. Второе отличие – это наличие 2 рук. Это важный признак, привносящий новые возможности и имеющий смысл рассмотрения и исследования научными методами, например манипуляция крупногабаритными предметами, которые невозможно захватить 1 рукой, что очень важно для социального робота.

 

 

Практическая значимость исследования
В настоящий момент в социальной сфере, промышленности, сфере безопасности, в сферах, где важно удаленное присутствие, в домашнем хозяйстве, в сфере медицинской реабилитации, существует огромное количество профессий, где присутствует примитивный ручной труд и существует небольшая потребность в коммуникации и применении сложных навыков. В условиях санкций и негативных тенденций уменьшения трудоспособного населения России, подобные решения позволят высвободить людей, переквалифицировать и задействовать в секторах с высокой долей интеллектуального труда.

Сферы применения разрабатываемого робота-помощника:
- в качестве мобильного робота-сиделки для медицины
- в промышленности.
- в сфере безопасности
- в сферах, где важно удаленное присутствие.
- в качестве помощников по домашнему хозяйству.
- для перевозки небольших грузов в пределах дома или офисных комплексов
Постер

Постер 0191.ppt