Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0136

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0136
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"
Название доклада
Разработка универсального захватывающего устройства антропоморфного типа для выполнения контактных операций с повышенной точностью и надежностью
Докладчик
Кречетов Иван Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: Разработка программно-аппаратных технических решений в области создания универсального захватывающего устройства с элементами антропоморфной структуры.

Задачи проекта:
1) Исследование и разработка конструктивно-компоновочных решений захватывающего устройства антропоморфного типа;
2) Исследование и разработка информационно-измерительных систем захватывающего устройства антропоморфного типа;
3) Исследование и разработка систем управления захватывающего устройства антропоморфного типа.

Объекты исследования:
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.

Разрабатываемые научно-технические решения предназначены для широкого применения в составе перспективных робототехнических комплексов в условиях естественной окружающей среды, путем обеспечения их универсальными антропоморфными захватами, способными захватывать, удерживать и манипулировать предметами произвольной геометрической формы.
Актуальность и новизна исследования
1. Актуальность исследования:
Внедрение антропоморфных захватов на производстве в обозримом будущем позволит создать новые технологические линии, социальных роботов, снабженных захватами и снизить издержки, так как один человек будет способен управлять десятками подобных захватов. В быту станет возможным появление роботов-помощников с руками, снабженными манипуляторами с захватами, способных выполнять повседневную работу. Это позволит в условиях введения санкций и потребности в импортозамещении а также на фоне снижающегося количества трудоспособного населения, высвободить работников, занятых в сферах с высокой долей рутинного труда, не требующего высокого профессионализма. По прогнозам, доля третичного и четвертичного секторов экономики будет возрастать за счет автоматизации и роботизации подобных сфер.
В части новых подходов использованы: в конструкции фаланг пальцев ЭО АМЗ - тактильные матричные сенсоры на основе композита квантового туннелирования и позволяют не только определять величину внешнего усилия, но и направление. Реализована кинематическая схема с 22 степенями подвижности (при 18 степенях свободы), что, в целом соответствует мировому уровню: DLR Hand II (22/18), SHUNK (18/9), Shadow C6M (22/22). Реализована интегрированная система управления захватом предметов ЭО АМЗ на базе адаптивности приложенных усилий.
Описание исследования

При проведении исследования кинематической схемы для ЭО АМЗ на 1 и 2 этапах проекта использован подход, основанный на использовании метрики качества удержания предмета в захвате, для чего был разработан способ подготовки описания математической модели захвата, включающей в свой состав элементы твердотельной модели, содержащей описание физических параметров.
При разработке программной модели кинематики и динамики антропоморфного захвата реализована возможность расчёта технических параметров захвата для выполнения захватов предметов сложной формы с обеспечением заданного усилия удержания.
При разработке принципиальной схемы антропоморфного захвата количество степеней свободы увеличено свободы до 22, обеспечивая независимое управление мизинцем и безымянным пальцами, что соответствует выявленным тенденциям развития уровня техники по результатам анализа технического уровня разработок при проведении патентных исследований на Этапе 1 ПНИ.
При разработке на Этапе 2 системы управления приводами исполнительных групп звеньев проведены исследования эффективности нескольких подходов для реализации контроллеров управления с использованием разработанной модели электродвигателя и редуктора: ПИД-регулятор, нейросетевой контроллер и предиктивное управление на основе линеаризованной модели. Показано, что при наличии высокопроизводительного микропроцессора наибольшая эффективность управления по критерию величины перерегулирования достигается при использовании нейросетевого контроллера. По критерию скорости установки и средней величины перерегулирования целесообразно использование предиктивного контроллера управления. 
При разработке на Этапе 2 системы управления захватом была проведена эффективность нескольких подходов при формировании траектории движения между двумя заданными точками: линейная аппроксимация, нелинейная аппроксимация – 3-4-5 полином, 4-5-6-7 полином, циклоида, радиально-базисные функции и кривые Безье. Показано, что линейные методы аппроксимации не подходят по причине инерционности объекта управления, т.к. при линейной аппроксимации при подходе к конечному значению ускорение торможения стремится к бесконечности. Целесообразно использование нелинейной полигональной аппроксимации, т.к. при этом обеспечиваются несколько важных характеристик движения: ускорения и скорости в начальной и конечной точках равны нулю. При этом обеспечивается плавное ускорение и торможении в процессе движения. Радиально-базисные функции и циклоидная аппроксимация обеспечивают схожий функционал, при этом, выбор между конкретными реализациями зависит исключительно от требуемых динамических характеристик движения. Так, радиально-базисные функции обеспечивают медленный разгон и быстрое торможение; полиноминальная аппроксимация – медленное и умеренное ускорение и торможение; циклоида – быстрое ускорение и торможение.
При разработке на Этапе 3 механической конструкции антропоморфного захвата реализованы 22 степени подвижности, из которых 18 имеют независимое управление с изменяемой жёсткостью суставов, что обеспечивает защиту конструкции от внешних ударных воздействий, так же обеспечивается независимое управление мизинцем и безымянным пальцами, что соответствует результатам анализа технического уровня разработок при проведении патентных исследований на Этапе 1 ПНИ и обеспечивает сложно сочетанные движения, моделирование которых было проведено на Этапе 2.
Планирование траекторий движения и синхронизация скоростей смыкания исполнительных групп звеньев за счёт обработки данных сенсоров обратной связи обеспечивает аккуратное управление исполнительными звеньями захвата и возможность схватывать хрупкие предметы. 
При доработке механической конструкции по результатам экспериментальных испытаний на 4 этапе была разработана компоновка основания экспериментального образца антропоморфного манипулятора захвата для компенсации перекрестного смежных гибких тяг а также изменены диаметры шкивов (приводов эластичных тяг) для корректировки передаточного соотношения редуктора с учётом требований развиваемого усилия.
При доработке прикладного программного обеспечения по результатам проведённых экспериментальных исследований был доработан метод хранения паттернов движения для улучшения процедуры взаимной синхронизации траекторий движения исполнительных звеньев посредством разметки участков паттерна, в которых требуется обеспечить ожидание достижения целевого положения другими исполнительными звеньями.

Результаты исследования

В рамках выполнения этапа 1 проекта по результатам анализа информационных источников и проведения патентных исследований выявлены уровень техники, основные тенденции в развитии разработок антропоморфных манипуляторов захвата на основе которых было спрогнозировано дальнейшее развитие по основным двум направлениям:
а) многофункциональные захваты с большим числом степеней свободы и размещением приводов вне конструкции кисти (яркими представителями являются DLR Hand II, Shadow Robotics Dexterous Hand C6M, Anthropomorphous hand SHUNK);
б) ограниченные по функциональности захваты с малым числом степеней свободы за счёт размещения приводов внутри конструкции кисти (яркими представителями являются бионические протезы).
Как было выявлено на Этапе 1 ПНИ, для полнофункциональных захватов целесообразно размещать приводы вне конструкции кисти, за счёт чего обеспечивается большое количество тенденцией на этапе 2 проекта была разработана конструкция антропоморфного манипулятора захвата в соответствии с предложенной кинематической схемой с 22 степенями свободы, адекватность которой была подтверждена проведённым моделированием алгоритмов захвата предметов. Показана эффективность удержания предметов на уровне выше ведущих мировых аналогов, что обеспечивается за счёт оптимизации кинематических связей дистальных фаланг.
На 2 этапе ПНИ были разработаны математические и программные модели, описывающие кинематику и динамику антропоморфного захвата. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение управления позиционного управления приводами исполнительных групп звеньев на основе предиктивного регулятора, результаты моделирования которого показали соответствие заявленным в ТЗ характеристикам системы управления.
Кроме того, разработан алгоритм формирования сложносочетанных движений отдельных суставов с контролем развиваемых усилий на объекте захвата на основе использования синхронизации движений нескольких пальцев за счёт обработки и анализа данных системы тактильных сенсоров, за счёт чего обеспечивается синхронный обхват предмета.
В соответствии с выбранными конструктивно-компоновочными решениями на этапе 3 проекта были разработаны электронные и микропроцессорные модули управления захватом, эскизная конструкторская документация на конструкцию антропоморфного захвата с 22-мя степенями свободы.
На основе разработанной эскизно-конструкторской документации на 3 этапе был изготовлен экспериментальный образец антропоморфного захвата в составе:
а) механическая конструкция предплечья и кисти с 4 лицевыми и 1 оппозитными группами;
б) электронные модули управления приводами исполнительных групп звеньев;
в) система сенсоров обратной связи для размещения в суставах и на фалангах захвата;
г) электронный микропроцессорный модуль управления захватом для расчёта траекторий движения, контроля развиваемого давления на объекте захвата, передачи команд управления контроллерам приводов исполнительных групп звеньев.
На Этапе 4 в соответствии с разработанной ПМЭИ были проведены экспериментальные исследования ЭО АМЗ. В ходе экспериментальных исследований было установлено:
а)    синхронизация движений (контроль распределенного давления) пальцев за счёт тактильных сенсоров приводит к адекватной адаптации по форме предмета
б)    для надёжного захвата предметов необходимо исполнительные звенья, участвующие в паттерне, разместить вокруг его геометрического центра предмета.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые программно-аппаратные технические решения должны стать основой для создания новых образцов продукции, используемых в следующих сферах:
1. Установка на мобильные робототехнические комплексы для удаленного выполнения сложных контактных операций;
2. Использование в промышленности для автоматизации сборочных и контактных операций;
3. Для использования в сфере реабилитационной медицины в качестве основы для создания биопротезов верхних конечностей человека;
Результаты, полученные по окончании проекта, будут применяться для автоматизации выполнения сложных контактных операций в удаленном режиме в бытовой робототехнике, промышленности, в сфере реабилитационной медицины. Это позволит уменьшить трудозатраты, связанные с использованием человеческого труда в данных сферах, привет к экономии средств на выполнение подобных работ. Результатом будет постепенное внедрение умной робототехники во все сферы жизни человека, снижение рисков для человека (например выполнение химических взаимодействий, использование на ядерных объектах в режиме удаленного присутствия или использование как захвата для роботов-саперов и сервисных роботов)
Постер

Постер 0136.ppt