CC BY
18
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ DEVICES AND SYSTEMS OF AUTOMATIC CONTROL
УДК 004.052.42+681.518.5 DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-9-656-667
СОГЛАСОВАННАЯ РАБОТА ДВУХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВЫПОЛНЕНИИ ОПЕРАЦИЙ В СЛОЖНОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКЕ
В. Ф. Филаретов1'2, А. А. Кацурин2*
1 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия 2 Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия, Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток, Россия
katsurin@mail.ru
Аннотация. Рассматривается задача управления манипулятором, установленным на основном мобильном роботе, выполняющем операции в стесненных условиях рабочей среды, когда объекты работ находятся вне зоны видимости системы технического зрения робота. В указанной ситуации расположение невидимых объектов вначале определяется с помощью системы технического зрения вспомогательного и более маневренного мобильного робота в его связанной системе координат, а затем эта информация по каналам связи с неизбежными погрешностями передается в связанную систему координат основного манипуляционного робота. Предложен алгоритм по определению и устранению возникших погрешностей, обеспечивающий в результате возможность точного автоматического выполнения требуемых операций с объектами работ. Предложенный математический аппарат позволяет учесть различную текущую пространственную ориентацию базовых платформ обоих мобильных роботов по углам крена, тангажа и рыскания в абсолютной системе координат. Приведены результаты экспериментов, подтверждающие работоспособность и высокую эффективность предложенного метода согласованной автоматической работы двух мобильных роботов в стесненных условиях окружающей среды.
Ключевые слова: мобильный робот, групповое управление, система управления, манипулятор, система технического зрения
Благодарности: работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант 22-29-01156.
Ссылка для цитирования: Филаретов В. Ф., Кацурин А. А. Согласованная работа двух мобильных роботов при автоматическом выполнении операций в сложной окружающей обстановке // Изв. вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65, № 9. С. 656—667. DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-9-656-667.
COORDINATED WORK OF TWO MOBILE ROBOTS WHEN PERFORMING OPERATIONS AUTOMATICALLY IN A COMPLEX ENVIRONMENT
V. F. Filaretov1,2, A. A. Katsurin2*
11nstitute of Automation and Control Processes of the Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia 2Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia, Institute of Marine Technology Problems of the Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia
*katsurin@mail.ru
Abstract. The problem of controlling a manipulator mounted on the main mobile robot performing operations in cramped working environment conditions when objects of work are out of sight of the robot's technical vision system, is considered. In this situation, location of the invisible objects is first determined using the technical vision system of an auxiliary and more maneuverable mobile robot in its associated coordinate system, and then this information is transmit-
© Филаретов В. Ф., Кацурин А. А., 2022 ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2022. Т. 65, № 9
ted via communication channels with unavoidable errors to the associated coordinate system of the main manipulation robot. An algorithm is proposed to determine and eliminate the aroused errors, which as a result provides the possibility of accurate automatic execution of the required operations with the objects of work. The proposed mathematical apparatus allows for accounting variations in current spatial orientation of the base platforms of both mobile robots at the angles of roll, pitch and yaw in the absolute coordinate system. The results of experiments confirming the operability and high efficiency of the proposed method of coordinated automatic operation of two mobile robots in cramped environmental conditions are presented.
Keywords: mobile robot, group control, control system, manipulator, vision system
Acknowledments: the work was supported by the Russian Science Foundation, grant 22-29-01156.
For citation: Filaretov V. F., Katsurin A. A. Coordinated work of two mobile robots when performing operations automatically in a complex environment. Journal of Instrument Engineering. 2022. Vol. 65, N 9. P. 656—667 (in Russian). DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-9-656-667.
Введение. В настоящее время области использования мобильной робототехники постоянно расширяются. Одним из перспективных направлений является применение мобильных роботов (МР) для полностью автоматического выполнения различных точных операций в стесненных условиях заранее неизвестной рабочей среды с помощью манипуляторов, устанавливаемых на МР [1—4]. Сейчас эти работы выполняются в полуавтоматическом режиме только оператором, который ориентируется по изображению рабочей зоны на экране телемонитора, полученному от системы технического зрения (СТЗ). При этом для получения наиболее удобного для оператора ракурса изображения рабочей зоны и объекта работ (ОР) могут использоваться СТЗ, которые способны изменять текущие ориентации своих оптических осей [5—8]. Для управляемых операторами манипуляцион-ных МР многие задачи навигации и управления уже решены [9, 10]. При этом анализ показывает, что даже сложные манипуляционные операции вполне могут выполняться МР и в полностью автоматическом режиме. Но в этом случае потребуется использовать согласованное групповое управление несколькими МР, которое в настоящее время уже достаточно хорошо развито [11—17].
При перемещении группы МР в условиях неупорядоченной окружающей среды возможно возникновение ситуаций, когда основные СТЗ МР, оборудованных манипуляторами, не позволяют обеспечить требуемый ракурс изображения рабочей зоны, а объекты оказываются ненаблюдаемыми с помощью этих СТЗ. В таких случаях пространственные расположения и ориентации указанных объектов целесообразно определять с помощью СТЗ малых, более маневренных вспомогательных МР и затем передавать полученную информацию в связанные системы координат (СК) более громоздких манипуляционных роботов. Однако при работе в автоматическом режиме такое взаимодействие роботов будет затруднено, поскольку при передаче информации об объектах работ от вспомогательных МР к манипуляционным неизменно будут появляться погрешности, обусловленные как особенностями функционирования навигационных систем этих роботов, так и их СТЗ. Совместная работа двух МР в автоматическом режиме была рассмотрена в [18]. Но при использовании изложенного в этой работе подхода для определения существующих погрешностей при распознавании объекта и последующей передаче навигационной информации о его текущем расположении в СК, связанную с основным МР, оборудованным манипулятором, требуется применять специально изготовленный калибровочный инструмент. Для его захвата рабочим органом манипулятора выполняются дополнительные тестовые движения. В результате происходит значительное снижение производительности при выполнении требуемых манипуляционных операций, а также усложняется конструкция всей системы. Кроме того, такой подход не позволяет учесть текущую пространственную ориентацию в абсолютной СК обоих МР по углам крена, тангажа и рыскания. Это делает невозможным
использование данного подхода, если поверхность, по которой перемещаются МР, не является ровной и строго горизонтальной.
В результате задача разработки новых методов и алгоритмов, обеспечивающих точное и согласованное управление несколькими МР для выполнения заданных манипуляционных операций в автоматическом режиме, остается актуальной. Особое значение эта задача имеет в условиях произвольной, неупорядоченной окружающей среды.
Постановка задачи. В статье рассматривается задача разработки и исследования нового подхода к синтезу системы, предназначенной для обеспечения согласованной работы двух МР в автоматическом режиме. Основной МР оборудован многозвенным манипулятором и СТЗ, а второй — вспомогательный — только СТЗ. Создаваемая система предназначена для точного автоматического выполнения сложных манипуляционных операций с различными объектами в ситуациях, когда эти объекты не наблюдаются СТЗ основного МР, но находятся в рабочей зоне установленного на нем манипулятора. При этом только вспомогательный МР с помощью своей СТЗ может наблюдать объекты работ. Пространственные расположения и ориентации (координаты) объектов, определяемые СТЗ вспомогательного МР, далее должны быть переданы в связанную СК основного манипуляционного МР с неизбежными погрешностями, обусловленными ошибками при работе обеих навигационных систем и СТЗ, а также устройств связи МР. При этом текущие координаты и пространственные ориентации подвижных оснований обоих МР по углам крена, тангажа и рыскания в абсолютной СК формируются рельефами опорных поверхностей и принимаются произвольными.
Согласованная работа двух мобильных роботов. На рис. 1 приведена обобщенная схема взаимного расположения двух МР 1 и 2 в условиях неупорядоченной окружающей среды. В качестве основного МР 1 используется мобильная платформа, оборудованная шести-степенным манипулятором 3 типа PUMA с рабочим органом 4. МР 1 дополнительно оснащен своей СТЗ 5. На схеме показана возможная ситуация, когда СТЗ основного МР 1 не позволяет наблюдать объект 7, находящийся за препятствием. Вспомогательный МР 2 оснащен своей подвижной СТЗ 6, оптическая ось которой может менять пространственную ориентацию, поворачиваясь относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Этот более маневренный МР 2 подходит к объекту 7 таким образом, чтобы его системе технического зрения 6 одновременно был виден как этот объект, так и рабочий орган 4 манипулятора МР 1. В дальнейшем МР 2 с помощью своей СТЗ 6 определяет их текущие координаты в СК С2 . Полученные координаты с помощью навигационной системы 9 МР 2 с встроенными гироскопами из СК С2 переводятся сначала в абсолютную систему координат (АСК) С0, а затем с помощью навигационной системы 8 МР 1, которая также включает гироскопы, в его СК Q.
Рис. 1
Координаты как объекта 7, так и рабочего органа 4 манипулятора 3 определяются с помощью СТЗ 6 и передаются в СК С с приблизительно одинаковыми погрешностями. Так как
2
всегда известны более точные координаты рабочего органа 4 манипулятора 3 в СК , то появляется возможность уточнения реального расположения объекта 7 в этой СК. Это позволяет обеспечить точную работу манипулятора с объектом 7 в автоматическом режиме, даже если СТЗ 5 основного МР не видит этот объект, только на основе исходной информации, получаемой от СТЗ 6 и затем передаваемой в СК по каналам связи.
Для указанного уточнения координат объекта 7 в СК С необходимо сравнить координаты рабочего органа 4, которые определяются СТЗ 6 и передаются в СК С1, с его точными координатами в этой СК, которые определяются текущей конфигурацией манипулятора и рассчитываются с использованием известного типового алгоритма решения прямой задачи кинематики [19] на основе текущих значений всех его обобщенных координат, измеряемых датчиками угловых положений, встроенными во все соответствующие шарниры многозвен-ника. Таким образом удается определить пространственную погрешность (ошибку), возникающую при определении и передаче навигационной информации о текущем расположении рабочего органа 4 в СК . Вектор этой погрешности затем используется для корректировки
и определения точных координат объекта 7 в СК основного МР.
Перечисленные выше операции по определению и передаче координат объекта 7 и рабочего органа 4 из СК С2 в СК С выполняются при неизменном пространственном расположении обоих МР и СТЗ 6. Так как гироскопы навигационных систем 8 и 9 обоих участвующих в работе МР точно измеряют текущие значения углов крена, тангажа и рыскания в АСК, то определенный вектор погрешности при передаче координат рабочего органа 4 будет совпадать с вектором погрешности при передаче координат объекта 7. В результате скорректированные координаты этого объекта будут достаточно точно определять его реальное расположение в СК С, а манипулятор 3 сможет точно выполнить заданные технологические операции в автоматическом режиме с объектом 7, находящимся вне зоны видимости СТЗ 5. Это позволит значительно расширить функциональные возможности мани-пуляционных МР за счет использования малогабаритных вспомогательных МР для эффективного выполнения многих операций даже в сложной обстановке окружающей среды, содержащей препятствия.
Алгоритм работы системы. Для технической реализации предложенного подхода был создан алгоритм работы вычислительной системы. При описании этого алгоритма используется матрица однородных преобразований Т- е Т4х4 , содержащих элементарные повороты и
сдвиги, которая применяется для преобразования вектора, заданного в повернутой и сдвинутой СК С-, в вектор, заданный в неподвижной СК С^ [19].
Этап 1. С помощью встроенных навигационных систем 8 и 9 определяются векторы
С10 = [[ У10 210 1] и С20 = [—20 У20 г20 1], задающие соответственно начала СК С1 и С2 в АСК, а также углы крена, тангажа и рыскания 9^, 620, Ую, V20, Ф10, Ф20 основного и вспомогательного МР относительно осей АСК (углы поворотов СК С1 и С2 вокруг осей
-1 и -2, У1 и у2 , 21 и 22 соответственно). Реализация этих систем является уже типовой и детально описана в работе [10]. На этом же этапе соответствующими датчиками, встроенными в шарниры всех степеней подвижности манипулятора, измеряются текущие значения всех обобщенных координат, которые позволяют достаточно точно определить исходные значения координат векторов характерной точки А рабочего органа гс1 (см. рис. 2) и пятого шарнира манипулятора гт1.
Этап 2. С помощью стереоскопической СТЗ 6 [20] в СК С/с, связанной с этой СТЗ (см. рис. 1), определяются координаты геометрического центра объекта 7 —
Т
0ск = [оск Уоек 2оск
1] (здесь и далее штрих сверху указывает на обозначения векторов,
определенных с помощью СТЗ 6) и вектора г'ск = [хгск Угск 2гск 1]Т с координатами характерной точки рабочего органа манипулятора (точка А на рис. 2). Поскольку для существенного улучшения обзора изменяющейся рабочей зоны оптическая ось СТЗ 6 МР 2 может произвольно изменять свою пространственную ориентацию при введении двух ее степеней подвижности q7 и (см. рис. 1), то для определения координат указанных двух векторов в
СК С2 вспомогательного МР можно использовать преобразования, подробно описанные в
работах [5—8]. Сначала необходимо определить матрицу однородных преобразований т/, связывающую СК Ск и С2. Эту матрицу можно получить с помощью последовательного перемножения трех однородных матриц, реализующих поворот СК Ск на угол q7 вокруг оси г2 и сдвиг на высоту Н/ вдоль этой оси (первая матрица), поворот на угол q8 вокруг уже повернутой оси ук (вторая матрица) и, наконец, сдвиг на длину звена ¡к вдоль повернутой оси гк (третья матрица). Перечисленные три однородные матрицы имеют стандартный вид [19]. В итоге получена искомая матрица т/:
с8 0 58 01 Г1 0 0 0" 0 1 0 0 0 1 0 0 = -$8 0 с8 0 0 0 1 ¡к 0 0 0 1 0 0 0 1
c7 c8 "s7 c7 s8 c7 s8lk
s7 c8 c7 s7 s8 s7 s8lk
" s8 0 c8 hk + c8lk
0 0 0 1
где с7, s7, с8, s8 — cos q7, sin q7, cos q8, sin q8 соответственно.
Для преобразования векторов o^ и r'ck из СК Ск в СК С2 достаточно умножить их на
матрицу if. В результате получим o;2 = Tlo'ck , r'c2 = Tkr'ck .
Для последующего преобразования векторов ос2 и из СК С2 в СК С0 необходимо построить матрицу однородных преобразований i2 и умножить их на эту матрицу. Матрица
ik2
c7 " s7 0 0
s7 c7 0 0
0 0 1 hk
0 0 0 1
T2 также реализует последовательность элементарных поворотов и сдвига. Оси, относительно которых отсчитываются углы соответствующих поворотов СК С2, и последовательность этих поворотов должны выбираться такими, чтобы получаемые при этом углы 020, V20, Ф20 соответствовали углам, измеряемым гироскопами навигационной системы. Это условие выполняется, когда вначале осуществляются поворот СК С2 на угол рыскания Ф20 вокруг оси г2 и сдвиг на вектор с20, затем поворот на угол тангажа V 20 вокруг уже повернутой оси у2 и после этого поворот на угол крена 020 вокруг повернутой оси х2. Полученная таким образом
0
матрица 12 имеет следующий вид:
Т.и 1
"ф2
"V 0 х
>2 сф2
0 0
0 0
20
0 У20
1 ^20 0 1
су 2 0 2
0 1 0
2 0 су2
0 0 0
10 0 0
0 с02 "я02 0
0 я02 с02 0
0 0 0 1
сф2су2 Сф2"V2я02 " яф2с02 сф22с02 + яф2я02 х20
яф2су2 sф22я02 + сф2с02 яф22с02 " Сф2я02 у20
"яу2 су2 я02 су2с02 г20
0 0 0 1 где с02, 2, су2, 2, сф2, яф2 — сos02, sm02,сosу2, smу2,сosф2, sinф2 соответственно. Чтобы осуществить преобразование векторов оС 2 и ГС2 из СК С2 в СК С0 необходимо
Т<0 Г т0 Г Г т0 г
2 , тогда Ос0 = 12 Ос2 , Гс0 = 12 гс2 . Для выполнения аналогичных преобразований векторов ос0, из СК С0 в СК С1 необходимо получить матрицу однородных преобразований Т. Но для этого проще сначала получить матрицу однородных преобразований 1°, которая преобразует векторы из СК в АСК С0, учитывая, что также повернута относительно С0 на углы 0^, У10, ф^ вокруг
осей х1, у1 и соответственно и сдвинута на вектор сю . В дальнейшем искомую матрицу Т
можно определить, выполнив обратное преобразование полученной матрицы 10[19]. Аналогично предыдущему, несложно показать, что
Т
сф1 "яф1
V сф1
0 0
0 0
0 х10
0 У10
1 *10 0 1
су1 0 яу1
0 1 0
0 су1
0 0 0
10 0 0
0 с01 "% 0
0 % с01 0
0 0 0 1
сф1су1 сф15у1% " яф1с01 сф1яу1с01 + 5ф1501 Х10 яф1су1 яф1яу1% + сф1с01 яф1яу1с01 " сф1501 у10 "яу1 су1я01 су1с01 г10
R
0 0 0
* с10
1
0 0 0 1 где с01, я01, су1, сф1, яф1 — сos01, sin01, сosу1, smу1, сosф1, sinф1 соответственно; R — 3х3-матрица сложного поворота, включающего три элементарных поворота;
* г ~Т г-
с10 =[-х10 У10 zw J — 3х1-вектор-столбец сдвига.
В результате T = (T0)-1 =
разованных из СК С0 в СК Q, определяются из равенств 0С1 = T00C0 , r^ = T1rC0 .
Этап 3. В СК С1 определяется пространственная погрешность (ошибка передачи навигационной информации) Ac1 = rc1 - r^1 между реальными координатами точки А (определены на 1-м этапе) и ее координатами, полученными с помощью СТЗ 6 и переданными в СК Q .
Этап 4. Пересчитываются координаты объекта 7 на основе определенной пространственной погрешности при передаче информации в СК Q по формуле o c1Xor = 0С1 + AC1.
Этап 5. На данном этапе начинается работа манипулятора с виртуальной моделью объекта 7, хранящейся в его памяти. Алгоритм дальнейшей работы манипулятора с объектом определяется особенностями выполнения требуемых технологических операций и в данной статье не рассматривается. Один из возможных вариантов такой работы манипулятора — автоматический захват объекта [21]. При этом в реальном масштабе времени решается обратная задача кинематики манипулятора для определения значений всех его обобщенных координат, а процесс движения рабочего органа вблизи объекта непрерывно контролируется СТЗ 6. Если обеспечивается точный подход к объекту и выполняются все заданные рабочие операции, то процесс продолжается. В случае если требуемая точность не обеспечивается, то работа манипулятора прекращается и сообщается о невозможности дальнейших действий.
Результаты исследований, представленные далее, показали, что предложенный алгоритм и аппарат преобразований соответствующих координат при передаче навигационной информации позволяют в процессе выполнения многозвенным манипулятором конкретных технологических операций в автоматическом режиме успешно определить, а затем и устранить не только погрешности, возникающие при вычислении текущих пространственных координат объекта с помощью СТЗ, но и погрешности работы используемых навигационных систем, которые определяют реальное расположение обоих МР в АСК С0.
Исследование работы системы. Для проверки эффективности практической реализации решенной выше задачи были выполнены натурные эксперименты. Однако из-за отсутствия мобильных роботов требуемой конфигурации для экспериментальных исследований предлагаемого метода использовались два стационарных манипулятора. При этом поскольку точность определения их взаимного расположения существенно выше точности позиционирования мобильных роботов, то с целью приближения условий эксперимента к реальным условиям эксплуатации мобильных роботов при определении расположения оснований этих манипуляторов в АСК специально дополнительно были внесены погрешности, соответствующие возможностям современных инерциальных систем навигации мобильных роботов [22], использующих ультракороткую базу.
Общий вид экспериментального комплекса показан на рис. 3, где 1 — основной манипулятор (Mitsubishi RV-2-FB) со связанной с ним СК Q, предназначенный для захвата и перемещения объекта, 2 — вспомогательный манипулятор (KUKA KR 6 R700 sixx) со связанной с ним СК С2, управляющий стереокамерой ZED, которая определяет координаты объекта в СК Ck при любой пространственной ориентации ее оптической оси. Эти координаты передаются сначала в СК , а затем в СК Q. Оси х1 и у1, а также х2 и у2 расположены в плоскости рабочего стола, на котором жестко закреплены оба манипулятора. Оси х1 и х2 параллельны и встречно ориентированы.
Начало АСК С0 связано с углом рабочего стола, а ее оси х0 и у0 также расположены в
0 0 0
-ш^Т *
RT c
10
а координаты искомых векторов, преоб-
плоскости стола. Координаты начала СК С и С2 в АСК С0 задаются векторами
с10 =[1329 -116 0 1] и С20 =[563 -559 0 1] соответственно. СК С и С2 относительно АСК повернуты вокруг своих осей г1 и г2 на углы рыскания фю=150°, ф20=30° соответственно. В качестве объекта работ использован цилиндр красного цвета, координаты которого определяются координатами центральной точки на его верхней крышке.
Для определения погрешности при передаче навигационной информации и последующей ее компенсации в эксперименте вместо характерной точки рабочего органа манипулятора 1 использовался закрепленный на нем более информативный специальный Агисо-маркер, положение центральной точки которого известно.
Ось 2к встроенной СК Ск ZED-стереокамеры совпадает с оптической осью ее левого
объектива (рис. 4). Оси хк и ук расположены в плоскости задней стенки стереокамеры. При этом стереокамера так закреплена на фланце манипулятора 2, что оси ее СК Ск параллельны осям СК С3, расположенной в центральной точке фланца. Координаты начала СК Ск в СК С3
Т
задаются вектором К3 =[-60 15 10 1] .
В начале эксперимента стереокамера манипулятора 2 была выведена в положение, где с ее помощью наблюдалась центральная точка объекта на его верхней крышке: координаты указан-
т
ной точки в СК Ск определяются вектором оск = [-46 -174 521 1] (см. рис. 3). Для захвата
объекта манипулятором 1, согласно предложенному подходу, координаты указанного вектора требовалось перевести из СК Ск в СК С1. Для этого сначала обеспечивалось преобразование
вектора оск из СК Ск в СК С2 с помощью выражения о^2 = ТкОк =[476 -4 41 1] , затем
из СК С2 в АСК С0 с помощью выражения 0С0 = Т2 оС2 и, наконец, из СК С0 в СК С с помо-
1 Т
щью выражения 0С1 = Т)0^о = [409 4 40 1] . Матрицы соответствующих преобразований,
Т
полученные с учетом вектора К3 =[-60 15 10 1] , а также кинематической схемы и параметров конструкции манипулятора 2, имеют следующий вид:
-0,866 -0,5 0 563 " 0,5 0,866 0 -559 0 0 0 0 , 0 0 0 1 -0,866 -0,5 0 1093" 0,5 0,866 0 -765
0 000. 0 0 0 1
После решения обратной задачи кинематики для манипулятора 1 и определения конечных значений всех его обобщенных координат был выполнен пробный подход его рабочего органа к объекту. Однако вследствие указанных погрешностей определения расположения объекта в СК С точно подойти к объекту и захватить его не удалось (рис. 5, а). Для компенсации этих погрешностей с помощью ZED-стереокамеры был определен вектор с координат
тами центральной точки Агисо-маркера т^ =[14 -147 544 1] в СК Ск. Затем этот вектор был последовательно преобразован сначала в СК С2 : тС2 = Т^т^ = [475 26 104 1],
а затем через АСК в СК С : т^ = т0т2тС2 = [409 -26 104 1] . Однако этот вектор в силу
т
указанных погрешностей отличается от вектора тС1 = [428 -25 96 1] , который соответствует реальному положению центральной точки в СК С1 , определяемому решением прямой
задачи кинематики манипулятора 1 с учетом значений всех его обобщенных координат. Это
т
отличие определяется вектором ДС1 = тС1 - т ' С1 =[19 1 -7 0] на третьем этапе предложенного алгоритма. Данный вектор на четвертом этапе алгоритма использован для окончательной коррекции координат центральной точки объекта в СК С1 , которая теперь уже точно
т
определяется вектором 0С1.С0Г = о С1 + ДС1 =[428 5 33 1] вэтой СК.
Т2
-0,508 0,572 0,644 217
0,422 -0,487 0,765 -467
0,751 0,66 0,006 186 0 0 0 1
Т
Для точного подхода схвата манипулятора 1 к объекту после коррекции координат его расположения в СК Q было реализовано дополнительное решение обратной задачи кинематики для устранения выявленной погрешности. Окончательный точный подход манипулятора 1 к объекту показан рис. 5, б.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований полностью подтвердили работоспособность и эффективность предложенного метода согласованной автоматической работы двух МР. При этом обеспечивается точная работа манипулятора даже с объектами, не наблюдаемыми СТЗ основного МР, на котором он установлен, а также удается устранить погрешности в работе как используемых навигационных систем МР, так и их СТЗ.
Заключение. Предложен новый подход, позволяющий обеспечить согласованное взаимодействие двух МР в автоматическом режиме при выполнении различных технологических операций с объектами в стесненных условиях рабочей среды. При этом необходимые операции выполняются с объектами, которые находятся вне зоны видимости СТЗ основного мани-пуляционного МР, а координаты текущего пространственного положения этих объектов и их ориентации вначале определяются в СК малогабаритного и маневренного вспомогательного МР с помощью его СТЗ. Затем указанные координаты с неминуемыми погрешностями передаются в СК манипуляционного МР и корректируются (уточняются) там по изложенному в статье алгоритму. Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность этого алгоритма без использования специальных калибровочных устройств и без выполнения дополнительных тестовых движений. Работоспособность предложенного алгоритма сохраняется и при расположении обоих МР на неровной и негоризонтальной поверхности. Техническая реализация представленного подхода не вызывает принципиальных затруднений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Andreev V. P., Pryanichnikov V. E. Operation Environment of Mobile Robots with Supervision Control // Proc. of the 22nd Intern. DAAAM Symp. Vienna, Austria. 2011. Vol. 22, N 1. P. 0021—0022.
2. Zhang Q., Song B., Cai B., Sun Y. Design of Coordination System for Composite Mobile Robot Platform Oriented to Nuclear Fusion Vessel // J. of Fusion Energy. 2021. N 40(2). P. 22.
3. Wu Y., Balatti P., Lorenzini M., Zhao F., Kim W., Ajoudani A. A teleoperation interface for loco-manipulation control of mobile collaborative robotic assistant // IEEE Robotics and Automation Letters. 2019. N 4(4). P. 3593—3600.
4. Lee D., Spong M. W. Passive bilateral control of teleoperators under constant time-delay // Proc. 16th IFAC World Congress. Prague, Czech Rep. 2005. File 03009.pdf. P. 1—6.
5. Katsurin A. System of Telecontrol by the Mobile Robot with Movable Camera // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 643. P. 9—14.
6. Филаретов В. Ф., Кацурин А. А., Пугачев Ю. А. Метод полуавтоматического комбинированного управления манипулятором с помощью подвижной телекамеры // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 2. С. 38—45.
7. Филаретов В. Ф., Кацурин А. А. Метод полуавтоматического позиционного управления манипулятором с помощью телекамеры, изменяющей пространственную ориентацию своей оптической оси // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 9. С. 15—22.
8. Филаретов В. Ф., Кацурин А. А. Система телеуправления многозвенным манипулятором, установленным на мобильном роботе // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2018. № 12. С. 40—48.
9. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А. Метод формирования гладких траекторий движения мобильных роботов в неизвестном заранее окружении // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2017. № 4. С. 174—184.
10. Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Мурсалимов Э. Ш. Информационно-управляющая система для мобильных роботов // Автометрия. 2015. Т. 51, № 5. С. 92—100.
11. Xu P., Zheng J., Zhang J., Zhang K., Cui Y., Tang Q. Distributed position-force control for cooperative transportation with multiple mobile manipulators // Lecture Notes in Computer Science (Including Subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2021. Vol. 12690 LNCS. P. 111—118.
12. Mendiburu F. J., Morais M. R. A., Lima A. M. N. Behavior coordination in multi-robot systems // Proc. IEEE Intern. Conf. on Automatica (ICA-ACCA). 2016. P. 1—7.
13. Viegas C., Tavakoli M., Lopes P., Dessi R., De Almeida A. T. SCALA-A scalable rail-based multirobot system for large space automation: Design and development // IEEE/ASME Trans. on Mechatronics. 2017. N 22(5). P. 2208—2217.
14. Riccio F., Borzi E., Gemignani G., Nardi D. Multi-robot search for a moving target: Integrating world modeling, task assignment and context // Proc. IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2016. P. 1879—1886.
15. Градецкий В. Г., Ермолов И. Л., Князьков М. М., Лапин Б. С., Семенов Е. А., Собольников С. А., Суханов А. Н. Система группового транспортного управления мобильными наземными роботами на различных грунтах // Робототехника и техническая кибернетика. 2020. Т. 8, № 1. С. 61—71.
16. Меркулов В. И. Синтез согласованного управления группой объектов // Динамика сложных систем — XXI век. 2016. Т. 10, № 2. С. 23—27.
17. Градецкий В. Г., Ермолов И. Л., Князьков М. М., Семенов Е. А., Собольников С. А., Суханов А. Н. О научных задачах выполнения транспортных операций группой мобильных роботов // Экстремальная робототехника. 2016. № 1. С. 25—30.
18. Филаретов В. Ф., Кацурин А. А. Совместная работа двух мобильных роботов при автоматическом выполнении манипуляционных операций // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 8. С. 529—535.
19. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционными роботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 480 с.
20. Filaretov V., Yukhimets D., Zuev A., Gubankov A., Mursalimov E. An new approach for automatization of cutting of flexible items by using multilink manipulators with vision system // Proc. of the 22nd Intern. Symp. on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM2014), Ischia, Italy. 2014. P. 1330—1335.
21. Filaretov V., Katsurin A., Chyi-Yeu Lin. System of Telecontrol by Manipulators for Automatic Grasp of Objects // Proc. of the Intern. Conf. on Intelligent Computing and Control. Bangkok, Thailand. 2011. P. 1—4.
22. Cook G., Zhang F. Mobile robots: Navigation, Control and Sensing, Surface Robots and AUVS. Wiley, 2020. P. 1—329.
Сведения об авторах
Владимир Федорович Филаретов — д-р техн. наук, профессор; Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, лаборатория робототехнических систем; заведующий лабораторией; Дальневосточный федеральный университет, департамент автоматики и робототехники; директор; E-mail: filaretov@inbox.ru
Алексей Анатольевич Кацурин — канд. техн. наук; Дальневосточный федеральный университет, де-
партамент автоматики и робототехники; Институт проблем морских технологий ДВО РАН, лаборатория интеллектуальных информационных систем для морских роботов; ст. научный сотрудник; E-mail: katsurin@mail.ru
Поступила в редакцию 04.06.2022; одобрена после рецензирования 27.06.2022; принята к публикации 30.07.2022.
REFERENCES
1. Andreev V.P., Pryanichnikov V.E. Proceedings of the 22nd International DAAAM Symposium, Vienna, Austria, 2011, no. 1(22), pp. 0021-0022.
2. Zhang Q., Song B., Cai B., Sun Y. Journal of Fusion Energy, 2021, no. 2(40), pp. 22.
3. Wu Y., Balatti P., Lorenzini M., Zhao F., Kim W., Ajoudani A. IEEE Robotics and Automation Letters, 2019, no. 4(4), pp. 3593-3600.
4. Lee D., Spong M.W. Proc.16 IFAC World Congress, Prague, Czech Rep., 2005, file 03009.pdf (CD-ROM).
5. Katsurin A. Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 643, рр. 9-14.
6. Filaretov V.F., Katsurin A.A., Pugachev Yu.A. Mehatronika, Avtomatizacia, Upravlenie (Mechatronics, Automation, Control), 2009, no. 2, pp. 38-45. (in Russ.)
7. Filaretov V.F., Katsurin A.A. Mehatronika, Avtomatizacia, Upravlenie (Mechatronics, Automation, Control), 2008, no. 9, pp. 15-22. (in Russ.)
8. Filaretov V.F., Katsurin A.A. Information and Control Systems, 2018, no. 12, pp. 40-48. (in Russ.)
9. Filaretov V.F., Yukhimets D.A. Journal of Computer and Systems Sciences International, 2017, no. 4(56), pp. 738748.
10. Filaretov V.F., Yukhimets D.A., Mursalimov E.Sh. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2015, no. 5(51), pp. 505-511.
11. Xu P., Zheng J., Zhang J., Zhang K., Cui Y., Tang Q. Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), 2021, vol. 12690 LNCS, pp. 111-118.
12. Mendiburu F.J., Morais M.R.A., Lima A.M.N. Proc. of 2016 IEEE International Conference on Automatica (ICA-ACCA), 2016, pp. 1-7.
13. Viegas C., Tavakoli M., Lopes P., Dessi R., De Almeida A.T. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2017, no. 5(22), pp. 2208-2217.
14. Riccio F., Borzi E., Gemignani G., Nardi D. Proc. of 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016, pp. 1879-1886.
15. Gradetsky V.G., Ermolov I.l., Knyaz'kov M.M., Lapin B.S., Semenov E.A., Sobol'nikov S.A., Sukhanov A.N. Robotics and Technical Cybernetics, 2020, no. 1(8), pp. 61-71. (in Russ.)
16. Merkulov V.I. Journal Dynamics of Complex Systems - XXI century, 2016, no. 2(10), pp. 23-27. (in Russ.)
17. Gradetsky V.G., Ermolov I.L., Knyazkov M.M., Semenov E.A., Sobolnikov S.A., Sukhanov A.N. Extreme Robotics, 2016, no. 1, pp. 25-30. (in Russ.)
18. Filaretov V.F., Katsurin A.A. Mehatronika, Avtomatizacia, Upravlenie (Mechatronics, Automation, Control), 2018, no. 8(19), pp. 529-535. (in Russ.)
19. Zenkevich S.L., Yushchenko A.S. Osnovy upravleniya manipulyatsionnymi robotami (Fundamentals of Manipulation Robot Control), Moscow, 2004, 480 p. (in Russ.)
20. Filaretov V., Yukhimets D., Zuev A., Gubankov A., Mursalimov E. Proc. of 22nd International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM2014), Ischia, Italy, 2014, pp. 1330-1335.
21. Filaretov V., Katsurin A., Chyi-Yeu Lin, Proc. of 2011 International Conference on Intelligent Computing and Control, Bangkok, Thailand, 2011, pp. 1-4.
22. Cook G., Zhang F. Mobile robots: Navigation, Control and Sensing, Surface Robots and AUVS, Wiley, 2020, 329 p.
Data on authors
Vladimir F. Filaretov — Dr. Sci., Professor; Institute of Automation and Control Processes of the Far
Eastern Branch of the RAS, Laboratory of Robotic Systems; Head of the Laboratory; Far Eastern Federal University, Department of Automation and Robotics; Director; E-mail: filaretov@inbox.ru Alexey A. Katsurin — PhD; Far Eastern Federal University, Department of Automation and Robotics;
Institute of Marine Technology Problems of the Far Eastern Branch of the RAS, Laboratory of Intelligent Information Systems for Marine Robots; Senior Researcher; E-mail: katsurin@mail.ru
Received 04.06.2022; approved after reviewing 27.06.2022; accepted for publication 30.07.2022.
