Введение к работе
Актуальность темы. Мобильные колёсные роботы широко используются в настоящее время в самых разных областях народного хозяйства с целью транспортировки тех или иных грузов, решения задач наблюдения, работы в опасных и труднодоступных для человека местах. В медицине они используются не только как средство для транспортировки больных, но и как устройства доставки и позиционирования медицинских приборов и систем. Разработанный в диссертации комплекс, в частности, предназначен для доставки и позиционирования, так называемого, микротрона – ускорителя альфа-частиц для интраоперационной (происходящей во время операции) лучевой терапии (ИОЛТ) больного. В настоящее время в мире доступны три коммерческих модели аппаратов для проведения ИОЛТ: Mobetron компании Intraop Medical Incorporated of Santa Clara, California, Novac 7 и 11 компании ENEA-Hitesys of Aprilia (New Radiant Technology), Italy, Liac компании Info and Tech, Rome, Italy. Аппараты Mobetron используются и в России. Перемещение этих аппаратов, доставка их в операционные вызывает существенные трудности. Разработанная и исследованная в диссертации система может быть использована в качестве малогабаритного мобильного комплекса для транспортировки и ориентирования в пространстве аппарата ИОЛТ, а также и в целом ряде других направлений. Упомянем, например, автоматизированные транспортные внутрицеховые системы и гибкие транспортные системы для «недетерминированной» среды, такие как хранилища (бассейны) атомных электростанций, опасные и вредные производства и др.
Условия применения рассматриваемого аппарата не позволяют создать полностью автономную систему. Поэтому необходимо использовать супервизорное управление мобильным робототехническим комплексом (МРК), при котором лишь часть функций выполняется автономно с помощью бортовых систем, а конечный анализ обстановки, принятие решений и выдача команд на включение тех или иных программ управления возлагается на оператора.
Вопросами проектирования мобильных робототехнических комплексов,
их информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) занимались
В.П. Андреев, В.Л. Афонин, С.В. Бурдаков, С.А. Воротников, Е.А. Девянин,
И.Н. Егоров М.Б. Игнатьев, П.Д. Крутько, Ф.М. Кулаков, В.С. Кулешов,
Н.А. Лакота, И.М. Макаров, Ю.Г. Мартыненко, Д.Е. Охоцимский,
Ю.В. Подураев, Е.П. Попов, В.Е. Пряничников, Л.Б. Рапопорт, В.Ф. Филаретов, А.М. Формальский, Е.И. Юревич, А.С. Ющенко, H. Asada, H. Kazerooni, N. Hogan, M. Liu, M.H. Raibert, M. Vukobratovic, A. West и другие. Однако, специфика супервизорного управления и использования ИИУС для высокоманевренных, несущих тяжелые установки МРК не находит достаточного отражения в известных публикациях. Создание полноприводной мобильной платформы повышенной грузоподъемности и маневренности является актуальной задачей, на решение которой направлена данная диссертационная работа.
Объектом исследования диссертационной работы является
информационно-измерительная и управляющая система (ИИУС)
высокоманевренной четырехколесной платформы с податливым манипулятором на борту, представляющей собой многосвязную динамическую систему с несколькими входами и выходами, работающую в условиях воздействия внешних возмущений под управлением человека-оператора.
Предметом исследования диссертационной работы являются структура и технические характеристики ИИУС четырехколесной платформы, несущей манипулятор, развитая пространственная кинематика и динамика их движения, структура и параметры системы супервизорного управления МРК, параметры системы управления платформой с избыточным числом управлений, параметры системы податливого управления манипулятором с использованием силомоментных сенсоров.
Методы исследования. При разработке информационно-управляющей человеко-машинной системы для высокоманевренной четырехколесной платформы с податливым манипулятором на борту наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах синтеза алгоритмов управления, что позволяет целенаправленно планировать будущие свойства разрабатываемой информационно-измерительной и управляющей системы. Для синтеза алгоритмов управления используется концепция решения обратных задач динамики. В диссертации использованы: методы аналитической механики, теория робототехнических систем, вычислительные методы и теория систем управления. Исследование работоспособности предложенных в работе алгоритмов управления проводится путем построения численных моделей в программных комплексах MATLAB Simulink и САПР-программах, а также путем отработки их на собранном для этих целей макете мобильной платформы и манипулятора, выполненном в масштабе 1:3. Для разработки программного обеспечения в рамках работы используется среда программирования Borland C++ Builder 6. Для визуализации процесса движения робототехнического комплекса используется открытая графическая библиотека Open GL.
Цель исследования состоит в разработке и программной реализации
информационно-измерительной и управляющей системы для
высокоманевренной четырехколесной платформы с податливым манипулятором на борту с учетом кинематической и динамической моделей МРК.
В соответствии с целью диссертационной работы поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка кинематической схемы, несущей большую нагрузку высокоманевренной четырехколесной платформы;
-
Разработка кинематической схемы манипулятора, имеющего четыре степени подвижности относительно платформы, для возможности произвольной пространственной высокоточной ориентации его рабочего органа;
-
Выработка рекомендаций по выбору датчиков ИИУС, обеспечивающих требуемую точность пространственного позиционирования рабочего органа манипулятора;
-
Построение динамической модели платформы робототехнического комплекса;
-
Построение динамической модели манипулятора робототехнического комплекса;
-
Разработка ИИУС с избыточным числом управлений, обеспечивающей движение платформы без рывков и проскальзывания;
-
Создание силомоментной системы управления манипулятором, обеспечивающей податливое движение его рабочего органа;
-
Разработка программы визуализации движения робототехнического комплекса как элемента созданного виртуального полигона.
Научная новизна:
1. Построена математическая модель динамики мобильного
робототехнического комплекса (МРК), состоящего из мобильной платформы на четырех ведущих и поворотных колесах, каждое из которых управляется посредством двух независимых приводов (всего восемь приводов), а также из размещенного на платформе управляемого манипулятора, имеющего четыре степени свободы относительно платформы.
-
Найдены соотношения между углами поворота вилок, а также между угловыми скоростями колёс платформы, обеспечивающие перемещение платформы на четырех ведущих поворотных колёсах без их проскальзывания с заданной скоростью движения центра платформы и с заданной угловой скоростью платформы при согласованном движении колёс.
-
Проведена декомпозиция «быстрых» движений электроприводов колес и «медленных» движений платформы и, на основе этой декомпозиции, синтезированы работоспособные алгоритмы управления платформой, обеспечивающие требуемый вид переходных процессов и заданную точность движения.
-
Синтезированы алгоритмы управления манипулятором, учитывающие, что желаемое точное положение рабочего органа манипулятора заранее неизвестно и может быть указано только человеком-оператором. Построено податливое управление манипулятором с учетом его динамических характеристик, которое использует информацию с силомоментного сенсора, установленного на рабочем органе.
-
Разработана трехмерная имитационная компьютерная модель среды функционирования МРК, включающая детерминированную часть и обнаруженные сенсорной системой робота заранее неизвестные
препятствия. Движения МРК моделируются численным интегрированием полных уравнений динамики в реальном времени. Взаимодействие человека-оператора с моделью МРК реализовано при помощи трехкомпонентного джойстика. Программа построена по модульному принципу, отражающему работу отдельных информационно-измерительных устройств и каналов передачи данных. 6. Подтверждена адекватность построенных математических моделей созданному макету робототехнического комплекса, на котором реализована разработанная в диссертации информационно-измерительная система, а также написаны программы для бортовой вычислительной системы, реализующие разработанные алгоритмы управления мобильной платформой и манипулятором.
Практическая ценность заключается в том, что представленные в работе конструктивные решения, рекомендации по выбору датчиков ИИУС, математические модели динамики высокоманевренной мобильной платформы в пространствах с препятствиями, при наличии сложных связей, налагаемых на механическую систему, и недетерминированных динамических воздействий, могут быть использованы в различных областях роботостроения и автомобилестроения. Полученные в работе алгоритмы автономного и супервизорного управления могут быть использованы при создании систем прямого и удаленного дистанционного управления робототехническими и транспортными средствами.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается аналитическими выкладками, подробно изложенными в диссертации, численным моделированием информационно-измерительной и управляющей системы, результатами экспериментов на макете МРК, построенном в масштабе 1:3, а также внедрением результатов разработки ИИУС при выполнении государственного контракта № 07.524.11.4012 по созданию экзоскелетона. Положения, выносимые на защиту.
-
Предложена методика работы МРК в неопределенной среде функционирования человеко-машинной системы, с учетом выбранного комплекса информационно-измерительных устройств.
-
Разработана обоснованная математическая модель, описывающая кинематику и динамику движения платформы МРК на четырех ведущих и поворотных колесах с восемью управляющими приводами. Уравнения модели получены в аналитическом виде.
-
Найдены необходимые и достаточные соотношения между углами поворота вилок, а также между угловыми скоростями колёс платформы, обеспечивающие перемещение платформы на ведущих поворотных колёсах без их проскальзывания при согласованном движении колёс.
-
На основе декомпозиции «быстрых» движений электроприводов колес и «медленных» движений платформы и решения обратных задач динамики, построены алгоритмы управления платформой МРК.
-
В аналитическом виде получена обоснованная математическая модель,
описывающая кинематику и динамику движения манипулятора МРК, имеющего четыре степени свободы относительно платформы.
-
На основе силомоментного очувствления и решения обратных задач динамики построены алгоритмы податливого управления манипулятором МРК, учитывающие его динамические характеристики.
-
Разработана имитационная компьютерная модель МРК и среды его функционирования, позволившая провести апробацию разработанных алгоритмов управления и информационно-измерительной системы. Реализация и внедрение результатов. Теоретические результаты работы
внедрены в учебный процесс механико-математического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, а также при выполнении государственного контракта № 07.524.11.4012 по разработке экзоскелетона. Разработанный макет робототехнического комплекса используется для прохождения студентами практикума в НИИ механики МГУ имени М.В.Ломоносова.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:
-
XII Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», ИПУ (г. Москва), 2010 г.;
-
Международная молодежная научно-практическая конференция «Мобильные роботы и мехатронные системы», НИИ механики МГУ (г. Москва), 2010-2011 гг.;
-
X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Нижегородский университет им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород), 2011 г.;
-
III Российско-тайваньском симпозиуме «Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механики и управления», НИИ механики МГУ (г. Москва), 2012 г.;
-
Международной конференции «Восьмые Окуневские чтения» (г. Санкт-Петербург), 2013 г.
По теме диссертации опубликовано 7 работ, включая 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, изложенных на 112 страницах машинописного текста и включающих 63 рисунка, заключения, списка использованной литературы из 113 наименований и приложения на 10 страницах.
