CC BY
325
Робототехнические системы специального назначения
УДК 621.865
А.В. Ленский, ЮХ. Мартыненко, Ю.М. Окунев
Институт .механики МГУ им. М.В.Ломоносова, г. Москва
РАЗРАБОТКА РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ И МЕХАТРОИИЫХ СИСТЕМ В ИНСТИТУТЕ МЕХАНИКЕ МГУ
В 1970-х годах в Институте механики МГУ был построен один из первых в мире макетов шестиногого шагающего аппарата [1] (рис. 1). Каждая нога имеет три степени свободы по отношению к корпусу, и аппарат приводится в движение 18 . -, , -бранной походке шаговым циклом. Возможности этого робота с течением времени постепенно расширялись. Он был оснащен гироскопической системой, имитирующей вестибулярный аппарат, системой технического зрения. В каждой из шести ног был установлен трехкомпонентный датчик усилий. Используя информацию , -ления распределять их между ногами робота желаемым образом. Аппарат может ходить в режиме супервизорного управления, т.е. под «руководством» оператора. Методом математического моделирования выполнены исследования по созданию эффективных алгоритмов управления движением шестиногого аппарата при перемещении в среде со сложным рельефом [2, 3].
В конце 70-х, начале 80-х годов была разработана теория импульсного управления двуногой ходьбой, при котором управляющие воздействия прикладываются к механизму лишь в отдельные моменты времени, а остальное время аппарат движется по инерции, т.е. по баллистической траектории [4, 5]. Построены (впервые в СССР) макеты двуногих шагающих механизмов. Один из них имеет телескопические ноги и два привода, другой - антропоморфный (рис. 2) - оснащен четырьмя электроприводами [6, 7]. Теория импульсного управления двуногой ходьбой была [8] .
Сконструированы двухколесный [9] (рис. 3) и одноколесный [10, 11] (рис. 4) , . гиростабилизатор позволяет автоматически поддерживать вертикальное неустойчивое положение равновесия аппарата. И тот, и другой робот способны автономно перемещаться по заданной трассе. Сконструированные системы относятся к классу систем с дефицитом числа управляющих воздействий. При выполнении условий декомпозиции решены задачи организации продольного и бокового движений мо- . роботов использовались модели неголономной электромеханики [12]. При этом были разработаны методы составления уравнений движения неголономных элек-, -зование пакетов компьютерной алгебры методику построения общих уравнений движения механических систем с неголономными связями [13]. Предложена ком-
пактная методика изложения кинематики твердого тела, использующая понятие матричной экспоненты [14].
Рис.1 Шестиногий шагающий аппарат Рис.2. Двуногий аппарат
Исследована динамика трехколесных роботов с двумя ведущими и пассивным рояльным колесами и выявлен ряд новых динамических эффектов, учет которых позволяет избежать неустойчивости движения при управлении реальным роботом [15]. -
скатной тележки установлено, что при малых колебаниях передней колесной пары относительно корпуса после переходного процесса возникает движение центра масс системы с постоянным ускорением, величина которого оценена с помощью асимптотического метода многих масштабов [16]. На основе теоретических исследований созданы алгоритмы управления мобильными роботами различных кине,
точностью. Сконструированы мобильные роботы, способные решать сложные задачи ориентирования и движения в среде с активными и пассивными маяками-ориентирами и задачи отработки движения по трассам, заданным различными спо-.
систем [17, 18].
Институт механики МГУ принимал участие в проекте INTAS-CNES 97-2084, связанном с разработкой концепции автономного марсохода, и в российско-французской программе CARRA (Совместный центр по исследованиям в области
).
- ( . 5), -
( . 6).
Была разработана теория управления робототехническими системами на основе информации об усилиях, развиваемых в конструкциях [19]. Использование подобной информации позволяет значительно расширить круг задач, которые могут быть решены при помощи манипуляционных систем. Построены основы теории и методы расчета и синтеза датчиков усилий. Развиты математические модели систем с обратной связью по усилиям. Теоретические исследования доведены до синтеза управления и решения прикладных задач. Системами силового очувствле-
, , , шагающие аппараты.
Рис.3 Робот с двумя ведущими и поворотными колесами
Рис. 4. Одноколесный робот
Используя информацию об усилиях, удается решить задачи выхода на контакт с предметом и поддержания этого контакта, движения руки манипулятора вдоль контура неизвестного предмета. С помощью очувствленного схвата можно взять и удерживать предмет, можно решать задачи механической обработки по, , -, . на руке манипулятора позволяет создать «силовое поле» на рукоятке оператора,
. « »,
взаимодействие руки манипулятора с объектами манипулирования, для оператора, находящегося на произвольном расстоянии от манипулятора, возникает эффект присутствия да месте события». В работах, связанных с виртуальной реальностью, подобный эффект называется телеприсутствием. Таким образом, прецизионное измерение силового поля, возникающего при взаимодействии с удаленными объектами, позволяет создать эффект телеприсутствия. Даже при наличии визуаль-
ного контроля за движением манипулятора отображение усилий на управляющую рукоятку существенно помогает оператору.
Рис.5. Проект колесно-шагающего Рис.б. Виртуальный четырехногий
аппарата шагающий аппарат
Выполнен цикл исследований, посвященных синтезу управления неустойчивыми системами [12, 20, 21]. При наличии ограничений на ресурсы управления неустойчивые системы могут быть выведены на желаемый режим работы при ограниченных отклонениях от него [22]. В этих условиях весьма важной является задача синтеза управления, при котором можно парировать максимальные откло-, , , работы максимальна. Разработаны методы синтеза алгоритмов управления, обеспечивающего как максимально возможную область притяжения, так и компенсацию наибольших отклонений системы от рабочих режимов. Построены законы управления относительным движением звеньев маятниковых систем, при которых обеспечивается глобальная асимптотическая устойчивость неустойчивых (в отсутствие управления) режимов. Проведен анализ влияния конструктивных параметров маятниковых систем на устойчивость желаемых режимов и управляемость.
Для однозвенного маятника с маховиком построен алгоритм глобальной стабилизации верхнего, неустойчивого положения равновесия [20, 23]. В отличие от большинства известных классических работ, в которых стабилизация перевернутого маятника осуществляется путем перемещения точки подвеса, в указанных работах точка подвеса маятника является неподвижной. Построена экспериментальная установка (рис. 7), которая используется в студенческом практикуме.
В 2005 году в Институте механики МГУ был создан первый в России комплекс миниатюрных мобильных роботов-футболистов, предназначенный для формирования концепций группового поведения [24]. Этот комплекс полностью соответствует международному стандарту MIROSOT (MIcro RObot SOccer Tournament
- турнир по футболу среди микророботов). Его создание потребовало разработки моделей движения роботов, миниатюрных микроконтроллерных систем управле-, -
.
, .
существенными преимуществами по сравнению с зарубежными аналогами, среди
Swarm iRobot,
выполняемый по контракту с DARPA.
Рис. 7. Маятник, управляемый при помощи маховика: 1 - маятник; 2 - ось маятника; 3 - маховик; 4 - ось маховика; 5 - электродвигатель
В Институте механики МГУ накоплен опыт использования новой образова-, -фестивалей молодежи (с международным участием) им. профессора ЕЛ. Девянина «Мобильные роботы» [25]. Регламент соревнований роботов в этих фестивалях построен таким образом, чтобы задачи разработки мобильных роботов выходили за рамки учебных программ и находились на переднем крае научных исследова-.
объектами в заранее неопределенной среде, методы их программного обеспечения, задачи прецизионной микронавигации и системы технического зрения.
Рис. 8. Миниатюрные мобильные роботы
Целью проведения Научно-технических молодежных фестивалей - олимпиад в области механики и электроники является привлечение студентов и аспирантов российских университетов к исследованиям в области высоких технологий, ВЫЯВ-
ление талантливой молодежи для подготовки кадров высшей квалификации. Используемый в соревнованиях мобильный робот класса “монотип” имеет трехколесное шасси с двумя ведущими колесами, которые приводятся во вращение электродвигателями постоянного тока. Кроме того, на шасси робота размещаются не, , -тер и система управления движением. Накопленный опыт проведения робототехнических соревнований позволяет сделать вывод о том, что разрабатываемая в Институте механики новая технология обучения - научно-технические молодежные фестивали - дает молодым людям замечательную возможность активно и весело заниматься интересными разделами математики, механики и мехатроники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гурфинкель B.C., Гурфинкель ЕМ., Девянин Е.А., Ефремов ЕМ., Жихарев Д.Н., Ленский AM., Шнейдер AM., Штильман Л.Г. Макет шестиногого шагающего аппарата с супер-визорным управлением // Исследование робототехнических систем. - М.: Наука, 1982.
2. Devjanin E.A., Budanov V.M. Motion Control for the Six-Legged Walking Machine.- Proc. Euromech 375 ‘Biology and Technology of Walking’. Munich, Germany. 1998.
3. . . .
Фундаментальная и прикладная математика. // Спец. вып. “Математические исследования проблем навигации и управления движением”. 2005. Т. 11. Вып. 7. С.197-206.
4. Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. - М.: Наука, 1982. -368 с.
5. Formal’sky A.M. Ballistic Locomotion of a Biped. Design and Control of Two Biped Machines. // In the book: Human and Machine Locomotion (Edited by A.Morecki, K.Waldron). Springer Wien New York. 1997. P. 191-230.
6. Grishin A.A., Formal’sky A.M., Lensky A.V., Zhitomirsky S.V. Dynamic Walking of a Vehicle with Two Telescopic Legs Controlled by Two Drives. //Intern. Journal of Robotics Research, Vol. 13. No 2. April 1994. P. 137-147.
7. Гришин А.А., Житомирский CM., Ленский AM., Формальский A.M. Управление ходьбой двуногого пятизвенного механизма // Изв. РАН. Теория и системы управления. № 6. 1999.
8. Formal’sky A., Ghevallereau C., Perrin B. On Ballistic Walking Locomotion of a Quadruped. Int. Journal. of Robotics Research, Vol. 19. No 8. August 2000. P.743-761.
9. . ., . . -
велосипеда // Докл. PAH. 2004. T. 399. № 3. C. 319-324.
10. . ., . ., . . -бильным одноколесным роботом с невозмущаемой гиростабилизированной платформой // Докл. РАН. 2002. Т. 386. № 6. С. 767-769.
11. Martynenko Yu.G., Lensky A.V., Kobrin A.I. The Problem of Controlling a Mobile Singlewheel Robot With an Unperturbed Gyrostabilized Platform // Proc. 35th International Symposium on Robotics. Paris, France. March. 2004.
12. Мартыненко ЮГ., Формальский А. М. Проблемы управления неустойчивыми системами // Успехи механики. 2005. №2. С.71-135.
13. . ., . .
- // . -методических статей по теоретической механике. М. 2004. №25. С. 86-101.
14. . . -
// - . .:
2003. №24. С.3-15.
15. . ., . . // . 2003. .67. .2.
.244-255.
16. . . -
ческих систем // ПММ. 2004. Т.68. Вып. 6. С.948-957.
17. . ., . .
// . 2003. 1. .3-46.
18. . . // искусственного интеллекта. 2002. №4 (52). С.18-23.
19. . ., . ., . .
системами на основе информации об усилиях. - М.: Физматлит, 1994. - 368 с. (См. также Gorinevsky D.M., Formal’sky A.M., Schneider A. Yu. Force control of robotics systems. CRC Press, Boca Raton, New York, 1997, 350 p.)
20. . ., . ., . ., . ., . . -тезе управления неустойчивым объектом. Перевернутый маятник // Изв. РАН. ТиСУ. 2002." № 5. С. 14-24*
21. . ., . . // , 2005. Т. 69. Вып. 4. С. 569-583.
22. Формальский А. М. Управляемость и устойчивость систем с ограниченными ресурсами.
- М.: Наука, 1974 - 368 с.
23. . ., . ., . ., . ., . . ,
управляемый при помощи маховика //Докл. РАН. 2003. Т. 392. № 6. С.743-749.
24. Белотелое В.Н., Жихарев Д.Н., Кожанов А.А., Пахомов В.Б. Футбол роботов //Материалы научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы». М. 2005. С.154-157
25. Ленский А. В., Мартыненко ЮТ., Окунев Ю. М. Концепция «интеллектуального спорта» как новая образовательная технология в механике управляемого движения // Международная конференция «Четвертые Окуневские чтения». СПб. 2004. С.52-53.
УДК 004.89.004.3
В.М. Лохин, С.В. Манько, МЛ. Романов, И.Б. Гарцеев, П.Э. Трипольский,
Р.И. Александрова, Д.В. Евстигнеев, О.А. Антипов, С.В. Епишин
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), г. Москва
АВТОНОМНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ МИНИ-РОБОТ
Мобильные роботы уже не одно десятилетие успешно применяются в различных областях человеческой жизнедеятельности. Наибольший опыт их разработки и использования накоплен в сфере автоматизированного промышленного производства. Задачи, стоящие перед мобильными роботами в этой области, характеризуются в первую очередь высокой степенью детерминированности среды функционирования. Это позволило добиться значительной автономности мобильных роботов, которые функционируют в условиях фактически безлюдных технологий. Однако существует целый ряд задач, существенно отличных от производственных, в которых применение мобильных роботов является чрезвычайно актуальным. Это такие задачи, как:
1. , -.
2. .
3. .
4. .
5. .
6. .
7. .
