Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время огромный
интерес разработчиков робототехнических комплексов привлекают
интенсивно развивающиеся безлюдные технологии, концепция
использования которых состоит в применении роботов для выполнения
рутинных, вредных и опасных видов работ без непосредственного участия
человека, что является залогом обеспечения безопасности и высокой
эффективности решения поставленных задач. Активные исследования
проводятся в области искусственного интеллекта и разработки
антропоморфных роботов (АР). Современные АР пока не способны полностью заменить человека при выполнении сложных задач в динамической среде. Неспособность таких роботов заменить полностью человека возникает из-за невысокой продолжительности работы в автономном режиме. Причины невысокой продолжительности работы АР заключаются в малой емкости современных аккумуляторных батарей и высоком энергопотреблении программных и аппаратных составляющих робота. Решение данной проблемы возможно за счет разработки и модификации математических методов и алгоритмов выполнения целевых операций с целью минимизации энергопотребления.
Значительная часть энергопотребления АР приходится на его исполнительный модуль, представленный манипуляторами. Манипуляторы АР занимают основную долю времени выполнения целевых операций и, соответственно, потребляют наибольшее количество энергии робота. Снизить их энергопотребление можно, исследуя и используя методы и алгоритмы планирования пути перемещения (ПП) в рабочей зоне с типичным – стационарным препятствием, что является актуальной задачей в современной прикладной математике и робототехнике.
Степень разработанности проблемы. Исследование и
совершенствование методов планирования и траектории движения манипуляторов АР осуществляется в таких отечественных и зарубежных научно-исследовательских и образовательных учреждениях, как МГТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК, МГТУ «СТАНКИН», институт механики МГУ, ЮФУ, ИТМО, МФТИ, ТПУ, ТГУ, СПбГПУ, НИУ МЭИ, ДГТУ, АО НПО АТ, The Boston University Robotics Lab, KAIST Корейский институт передовых технологий, Fudan University, Honda Robotics, Kawada Heavy Industries, KUKA Robotics, Aldebaran Robotics, NASA/DARPA, AIST, University of Tokyo, University of Science and Technology of China и др. Наибольший вклад в исследования кинематики и динамики манипуляторов внесли ведущие научные коллективы под руководством таких известных ученых, как Пшихопов В.Х., Кутлубаев И.М., Гайдук А.Р., Сергеев Н.Е., Щербаков В.С., Корытов М.С., Валюкевич Ю.А., Медведев М.Ю., Калеватых И.А., Pol R., Юдинцев Б.С., Глебов Н.А., Кожевников М.М., Нейдорф Р.А., Bhanu K.G.,
Ran Zhao, Atef A. ATA, Liu Y., Tan C., Махдавьян М., LaValle S.M., Nguyen P.D.H., Hoffmann M., Pattacini U., Metta G., Кунц Т., Стилман М., Shiller Z., Jasour A.M.Z., Farrokhi M., Adam S.A.A., Zhou J.-P., Alonso-Mora J., DeCastro J.A., Blanchini F., и др.
Разработанные в настоящее время методы и алгоритмы планирования ПП манипулятора АР учитывают показатели точности выполнения целевой операции, длины пути и вычислительной сложности алгоритмов, при этом критерий энергоэффективности пути является второстепенным и косвенно зависит от планируемой длины маршрута. Использование критерия минимальности длины пути в качестве критерия энергоэффективности не всегда корректно. При движении по минимальному пути возможна ситуация, когда в большей степени задействованы двигатели, находящиеся в основании манипулятора, и потребляющие большую часть энергии.
Таким образом, актуальна задача разработки методов и алгоритмов для
планирования энергоэффективного пути перемещения (ЭПП)
манипуляторов АР в рабочей зоне с типичным препятствием, что позволит увеличить время полезного функционирования АР на одном цикле подзарядки батареи.
Объектом исследования является трехзвенный манипулятор АР c избыточной подвижностью.
Предметом исследования являются математические методы и алгоритмы для планирования ПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием.
Цель исследования состоит в увеличении времени полезного
функционирования АР на одном цикле подзарядки путем снижения
энергозатрат манипуляторов с избыточной подвижностью при
функционировании в рабочей зоне с типичным препятствием за счет планирования ЭПП.
Научная задача исследования заключается в разработке
математических методов и алгоритмов для планирования ЭПП
манипулятора АР при наличии типичного препятствия для работы в режиме реального времени.
Для реализации поставленной цели и научной задачи необходимо решить следующие частные научные задачи:
-
Провести анализ энергоэффективности манипуляторов АР при планировании ПП в рабочей зоне с типичным препятствием и кинематических параметров, определяющих положение манипулятора в пространстве.
-
Разработать способ планирования ЭПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием.
-
Разработать численный метод поиска оптимального маршрута перемещения центра схвата манипулятора в рабочей зоне с типичным препятствием и на его основе математический метод планирования ПП
сочленений манипулятора АР.
-
Разработать метод математического моделирования задачи преобразования декартовых координат сочленений манипулятора АР в обобщенные координаты с пониженной вычислительной сложностью.
-
Разработать систему компьютерного и имитационного моделирования ЭПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием, выполняющую расчет в режиме реального времени.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Способ планирования ПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием, аппроксимированным в виде сферы или параллелепипеда, отличающийся от существующих ориентированностью на решение задачи минимизации энергопотребления.
-
Численный метод и алгоритм итеративной кусочно-линейной генерации ЭПП центра схвата манипулятора в рабочей зоне с типичным препятствием, аппроксимированным в виде сферы или параллелепипеда.
-
Математический метод и алгоритм планирования ЭПП сочленений манипулятора АР, отличающийся от существующих пониженной вычислительной сложностью.
-
Метод математического моделирования задачи преобразования декартовых координат сочленений манипулятора АР в обобщенные координаты на основе геометрического подхода для кинематических цепей, состоящих из сочленений вращательного типа, использующий представление Денавита-Хартенберга, позволяющий сократить объем вычислений по сравнению с известными методами.
-
Система компьютерного и имитационного моделирования ЭПП манипулятора АР при наличии типичного препятствия в рабочей зоне, выполняющая расчет в режиме реального времени.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математические методы и алгоритмы для планирования ЭПП манипулятора АР при наличии типичного препятствия в рабочей зоне, позволяют выполнять построение энергоэффективного пути в виде ломанной кривой в режиме реального времени, что позволит увеличить продолжительность работы АР на одном цикле подзарядки.
Экономическая значимость работы заключается в уменьшении стоимости расходов на эксплуатацию батареи АР за счет увеличения продолжительности его работы на одном цикле подзарядки и, как следствие, сокращения количества циклов заряда-разряда.
Методы исследования. Методологической основой исследования являются методы математического моделирования. Для решения частных задач, поставленных в работе, применялся метод решения обратной задачи кинематики с помощью моделирования кинематических параметров
манипулятора представлением Денавита-Хартенберга с постановкой задачи нелинейной оптимизации по критерию минимизации энергопотребления для перевода декартовых координат сочленений манипулятора в обобщенные координаты.
Планирование ПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием, аппроксимированным в виде сферы, либо в виде параллелепипеда, реализовано численным методом итеративной кусочно-линейной генерации ПП центра схвата манипулятора в трехмерном пространстве. На основе разработанного численного метода предложен математический метод и алгоритм планирования ЭПП сочленений манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием.
Метод математического моделирования задачи преобразования
декартовых координат сочленений манипулятора АР в обобщенные
координаты построен на основе геометрического подхода для
кинематических цепей, состоящих из сочленений вращательного типа, использующего представление Денавита-Хартенберга.
Представленные методы и алгоритмы реализованы в виде системы компьютерного и имитационного моделирования ЭПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием, выполняющей расчет в режиме реального времени.
Область исследования. Диссертационное исследование соответствует паспорту специальности 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ по 3 пунктам:
– п. 1 «Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений»;
– п. 4 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента»;
– п. 8 «Разработка систем компьютерного и имитационного
моделирования».
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
-
Способ планирования ЭПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием, аппроксимированным в виде сферы или параллелепипеда.
-
Численный метод и алгоритм итеративной кусочно-линейной генерации ЭПП центра схвата манипулятора в рабочей зоне с типичным препятствием, аппроксимированным в виде сферы или параллелепипеда.
-
Математический метод и алгоритм планирования ЭПП сочленений манипулятора АР в рабочей зоне с типичным препятствием.
-
Метод математического моделирования задачи преобразования декартовых координат сочленений манипулятора АР в обобщенные координаты на основе геометрического подхода для кинематических цепей,
состоящих из сочленений вращательного типа, использующий
представление Денавита-Хартенберга.
5. Система компьютерного и имитационного моделирования ЭПП манипулятора АР при наличии типичного препятствия в рабочей зоне, выполняющая расчет в режиме реального времени.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность и обоснованность результатов исследования
подтверждается проведенными вычислительными экспериментами,
корректным использованием положений математического моделирования и рецензированием печатных работ.
Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили
положительную оценку на 9 международных и межрегиональной научно-
практических конференциях: Second Young Scientist’s International Workshop
«Trends in Information Processing», (Dombay, Russian Federation, May 16-20,
2017); 29-я Международная научно-техническая конференция
«Экстремальная робототехника и конверсионные тенденции» (г. Санкт-Петербург, 7-8 июня 2018 г.), VI Всероссийская научная конференция с международным участием «Информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений» (ITIDS’2018) (г. Уфа, 2018); XIII Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке, интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2017); VI Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Проблемы автоматизации, региональное управление, связь и автоматика» (ПАРУСА-2017) (г. Геленджик, 2017); IV-VIII Всероссийские научно-технические конференции «Студенческая наука для развития информационного общества» (г. Ставрополь, 2015-2018); на научных семинарах Северо-Кавказского федерального университета (г. Ставрополь, 2016-2018).
Положения диссертационного исследования поддержаны конкурсом региональной научно-практической конференции «Инновационные идеи молодежи Ставропольского края – развитию экономики России» (программа УМНИК-2017) по теме «Разработка интеллектуальной системы управления движением манипуляторов многофункционального робота-спасателя».
Диссертационная работа выполнена в рамках ФЦП ИР 2014-2020
(уникальный идентификатор RFMEFI57517X0166) при финансовой
поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по теме: «Разработка программно-аппаратного комплекса системы управления на основе решения обратной задачи динамики и кинематики». Тема исследования отражена в хоздоговорной научно-исследовательской работе (для АО «НПО «Андроидная техника») по теме: «Методика выбора структуры и параметрического синтеза антропоморфных робототехнических систем по заданным условиям функционирования».
Внедрение. Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению: в АО «НПО «Андроидная техника» в ходе выполнения проекта по разработке и модернизации антропоморфного робота AR-600; в АО «Завод лабораторного оборудования «Мехатроника и робототехника» при проектировании роботизированных реабилитационных систем; в учебный процесс СКФУ по дисциплине «Робототехнические системы» по направлению 09.04.02 «Информационные системы и технологии», направленность (профиль) «Программное обеспечение робототехнических комплексов».
Личный вклад автора. В диссертации приведены результаты
исследований, выполненные лично автором или при его непосредственном
участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором предложен
способ планирования ЭПП манипулятора АР в рабочей зоне с типичным
стационарным препятствием. Для построения двухточечного ЭПП
манипулятора АР выполнено решение обратной задачи кинематики. Для
этого реализована постановка и решение задачи нелинейной оптимизации
поиска обобщенных координат сочленений манипулятора по критерию
минимизации энергопотребления при перемещении на основе
представления Денавита-Хартенберга методом обобщенного приведенного
градиента. Предложен математический метод и алгоритм планирования ПП
сочленений манипулятора АР в рабочей зоне с препятствием, основанный
на численном методе итеративной кусочно-линейной генерации ПП центра
схвата манипулятора в трехмерном пространстве. Предложен метод
моделирования задачи преобразования декартовых координат сочленений
манипулятора АР в обобщенные координаты на основе геометрического
подхода для кинематических цепей, состоящих из сочленений
вращательного типа, использующий представление Денавита-Хартенберга, имеющий пониженную вычислительную сложность. В соавторстве разработана система компьютерного и имитационного моделирования ЭПП манипулятора АР при наличии типичного препятствия в рабочей зоне, выполняющая расчет в режиме реального времени.
Публикация результатов работы. Основные результаты работы
отражены в 32 научных трудах, в том числе: 4 статьях, размещенных в
рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК при
Минобрнауки России; 2 статьях в изданиях, входящих в международную базу данных Scopus; 6 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований, 4 приложений и изложена на 205 страницах машинописного текста.