Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Моделирование динамики роботов-манипуляторов 27
Обзор методов описания кинематики и динамики манипуляционных роботов ...28
Вывод основных кинематических соотношений 34
Формирование системы уравнений динамики 43
Оценка вычислительной эффективности уравнений динамики ,. 49
Описание кинематики и динамики манипуляторов с поступательными шарнирами 51
Применение символьных преобразований 54
1.7. Модели приводов и механических передач 58
Выводы 65
Глава 2. Интегрирование уравнений динамики манипуляторов....67
Использование неявной разностной схемы 68
Учет ограничений потоку и напряжению 73
Применение неявных методов для манипуляторов
с люфтом..., 82
Учет упругости в шарнирах 88
Применение неявных методов для манипуляторов с позиционно-скоростной следящей системой 94
Выводы 97
Глава 3. Моделирование движения космического манипулятора
на имитационном стенде-тренажере 98
3.L Обзор систем моделирования космических
манипуляторов 98
3.2. Анализ динамики и условий функционирования БКМ
и выбор архитектуры стенда-тренажера 106
3.3. Организация работы стенда в масштабе
реального времени 116
3.4. Результаты экспериментов 119
Выводы , 125
Глава 4. Управление роботами через сеть Интернет 127
Обзор систем и методов дистанционного управления роботами 129
Состав оборудования, программная реализация,
потоки данных 140
Виртуальная среда для дистанционного управления роботами 144
Графический пульт управления роботом ..154
Дистанционное программирование движения роботов 156
Экспериментальная отработка алгоритмов дистанционного управления 160
Управление роботом манипулятором РМ-01 „161
Управление роботом манипулятором CRS А465 164
Управление мобильным роботом Nomadic 166
Задачи практикума по робототехнике с возможностью дистанционного управления роботом 169
Обеспечение безопасности работы системы управления робота с открытым доступом через Интернет 174
Выводы 177
Глава 5. Взаимодействие робота-манипулятора с
подвижными объектами 179
Обзор существующих систем 179
Постановка задач. Архитектура системы.. 185
Автоматический захват стержня на бифилярном подвесе.... 192
Взаимодействие со сферическими маятниками 203
Выводы 216
Глава 6. Управление роботом-манипулятором через Интернет
в задаче захвата подвижного объекта 218
Постановка задачи 218
Алгоритмы прогнозирования движения объектов 224
Экспериментальная отработка ; 229
Выводы , 231
Заключение 232
Литература
,235
Введение к работе
Общая характеристика работы. На многих российских и международных конференциях отмечалось, что в настоящее время значительный интерес в плане научных исследований и практического применения представляют дистанционно управляемые роботы. Это вызвано тем, что развитие новых технологий обуславливает возможность применения роботов в широком диапазоне задач, в которых требуется дистанционное присутствие оператора-эксперта. К их числу относятся применение роботов в местах экологических и техногенных катастроф, для исследования и обезвреживания подозрительных предметов в местах массового скопления людей, использование дистанционно-управляемых объектов для военных применений, использование роботов для сборки космических конструкций, проведения дистанционных экспериментов на международной космической станции (МКС). Новым перспективным приложением является использование роботов, управляемых через Интернет, для дистанционного обучения робототехнике.
В диссертации рассмотрены задачи, решение которых позволило выработать некоторые новые подходы к моделированию и дистанционному управлению движением роботов. Разработаны эффективные методы моделирования динамики роботов. Они были использованы для моделирования движений схвата бортового манипулятора космического корабля "Буран" на имитационном стенде-тренажере. Предложены и отработаны новые методы дистанционного управления роботами через сеть Интернет. Разработаны методы управления роботами при их взаимодействии с подвижными объектами. Эти методы позволили решать задачи дистанционного управления роботами в динамически изменяющихся средах.
Для обучения операторов навыкам дистанционного управления
необходима разработка тренажеров, воспроизводящих особенности
динамики движения роботов в требуемых рабочих условиях. В
частности, для работы с космическими манипуляторами необходимо
воспроизводить движение в условиях невесомости. Имитация движения
должна выполняться в масштабе реального времени для формирования
у операторов правильных навыков работы. Существующие системы
моделирования космических манипуляторов, созданные в NASA (А.
Hajare, 1989, S. Olendorf, 1991), ESA (J. Prince, P. Dieleman, 1989), ряде
организаций нашей страны (Е.И. Юревич, 2002, В Л. Богомолов, 1993)
используют мощную вычислительную базу, сложную вычислительную
технику. Поэтому актуальна разработка эффективных методов
моделирования, позволяющих реализовать качественный,
универсальный тренажер на стандартной технике в лабораторных условиях.
С этой целью разработаны эффективные методы математического моделирования динамики манипуляторов. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение моделирующего комплекса для натурной имитации движения манипуляторов. С их помощью создан стенд-тренажер для моделирования в масштабе реального времени движений схвата большого космического манипулятора (БКМ) — бортового манипулятора космического корабля "Буран". Выполнено исследование динамики БКМ, проанализированы особенности управления манипулятором в ручном и автоматическом режимах, проведена натурная отработка задач захвата, перемещения и установки объектов с помощью БКМ в различных режимах управления.
Актуальность разработки данных методов обусловлена тем, что они могут применяться для моделирования различных типов манипуляторов (крупногабаритных манипуляторов, манипуляторов для
экстремальных сред), непосредственные эксперименты с которыми трудно проводить в лабораторных условиях.
Актуальность работы по этому направлению подтверждается также тем, что она выполнялась в рамках исследований, проводимых в соответствии с Федеральной космической программой (программы "Пилот" и "Обслуживание"), международным проектом INTAS-94-1234, а также в соответствии с выполнением ряда НИР.
Новое перспективное направление научных исследований, имеющее важное практическое значение - дистанционное управление роботами в среде Интернет. Среди возможных приложений -дистанционное обучение (G.Hirzinger,1998), удаленное управление автоматизированными производствами (R.Luo, 1999), использование дистанционно-управляемых роботов для медицинских приложений (А. W.T. Но, I. Elhadjj, 2001), для работы в экстремальных средах (J. Yuh, 2000).
Список разработанных к настоящему времени систем управления роботами через Интернет представлен на сервере телеробототехники NASA (. ). Из отечественных разработок отметим систему дистанционного управления натурной моделью бортового манипулятора космического корабля "Буран", разработанную в ЦНИИРТК (В.А. Лопота, B.C. Заборовский, 2002) и систему управления лабораторными манипуляторами МИРЭА (И.М. Макаров, В.М. Лохин, СВ. Манько, МЛ. Романов, 2001 и 2002).
Однако, прогресс в этой области сдерживается ограничениями сети Интернет на скорость передачи информации. Основная проблема управления через Интернет - наличие существенных произвольных временных задержек в канале связи. Это делает управление через Интернет затруднительным, а во многих случаях невозможным.
Разработанные к настоящему времени системы, управление роботами в которых основано на передаче телеизображений, обладают такими недостатками, как наличие существенных задержек в канале обратной связи и неудобная для оператора среда управления. Помимо существенных задержек при передаче видеоизображений, их размер и качество затрудняют оператору оценивание положения робота и расстояний между объектами рабочего пространства.
Для преодоления этих недостатков актуальной является разработка новых методов повышения эффективности управления роботами через Интернет. Они основаны на использовании виртуальных трехмерных моделей робота и его рабочего пространства в on-line режиме (режиме реального времени). Идея подхода состоит в том, что вместо больших по объему видео изображений передается минимальный набор параметров, однозначно определяющих состояние робота и его рабочей среды (набор обобщенных координат робота и координаты объекта, с которым он взаимодействует). Для определения координат объектов используется система технического зрения. В случае, если пропускной способности канала все же оказывается недостаточно для организации работы в реальном времени, используются кинематические и динамические модели движения робота и объектов рабочей среды.
Таким образом, предлагается использование "виртуального дублера" реальной рабочей среды для непосредственного управления реальным роботом, а не только для моделирования его работы, как это обычно использовалось ранее (A. Bejczy, 1995, Т. Kotoku, 2001). Это позволяет не только свести к минимуму задержки реакции системы на управляющие воздействия (за счет минимизации пересылаемых данных), но и обеспечить для оператора комфортную управляющую среду с возможностью смены направления обзора, увеличения деталей сцены, использования полупрозрачных изображений. Использование
предложенных методов обеспечило возможность эффективного управления даже для низких скоростей передачи информации (в среднем порядка 0.1 - 0.5 Кб/сек) при использовании каналов связи общего пользования.
Для выполнения повторяющихся действий в автоматическом режиме разработан язык и среда дистанционного программирования движения роботов через сеть Интернет.
Актуальность предложенных методов обусловлена тем, что они применимы к широкому классу систем дистанционного управления роботами с задержками в каналах связи.
Особую сложность представляет класс задач, в которых робот должен функционировать в динамически изменяющейся рабочей среде (С.Л. Зенкевич, Р.В. Заединов, 2002, W. Hong, J.-J. Slotine, 1995, В. Bishop, 1998, D. Koditshek, 1994, H. Fassler, І 990). Для решения задач взаимодействия робота с подвижными объектами (их захвата, отслеживания траектории, ударного воздействия и т.п.) необходима разработка методов оценивания текущего положения объектов с помощью системы технического зрения, а также методов прогнозирования движения объектов и координированного управления роботом. Были решены задачи управления в автоматическом режиме роботом-манипулятором в случае захвата стержня на бифилярном подвесе и взаимодействия со сферическими маятниками. Использование динамических моделей объектов позволило не только определять и прогнозировать их фактическое движение, но и анализировать некоторые нетривиальные случаи изменения этого движения. Работы по этому направлению были выполнены в рамках исследований, проводимых в соответствии с Программой сотрудничества между Национальным центром научных исследований Франции CNRS и РАН
(CARRA). Исследования поддержаны грантами РФФИ N 96-01-01003 и N 99-01 -00981.
Наконец, одной из самых интересных задач является задача взаимодействия с подвижными объектами при управлении роботом через сеть Интернет. Сложность задачи обусловлена наличием задержек в канале связи между роботом и оператором. Для решения задачи применялись методы, основанные на использовании системы технического зрения и прогноза движения объекта с помощью модели динамики его движения. Также использовался метод "распределенной автономии", при котором удаленный оператор выполнял планирование операций на высоком уровне, а сами они выполнялись автоматически на стороне робота. Актуальность разработанных подходов и методов обусловлена тем, что они могут быть использованы при решении сложных задач взаимодействия роботов с подвижными объектами или управления в сложных неструктурированных динамических средах.
Актуальность исследований по разработке методов управления роботами через Интернет подтверждается также тем, что они выполнялись в рамках работ, проводимых в соответствии с Комплексной программой научных исследований Президиума РАН, Федеральной целевой программой "Интеграция высшего образования и фундаментальной науки", Программой сотрудничества между Национальным центром научных исследований Франции CNRS и РАН (CARRA). Исследования поддержаны грантом РФФИ N 02-07-90223, совместными грантами CNRS-PAH SPI 9559 и 12257. Работа по этому направлению получила вторую премию на конкурсе INTAS, проводимом среди молодых ученых стран СНГ (Белоусов, 2001).
Цель работы состоит в создании методов математического и натурного моделирования роботов-манипуляторов и разработке
алгоритмов для создания эффективных систем дистанционного управления роботами. Особое внимание уделено развитию методов управления роботами через сеть Интернет. Важной частью работы является исследование задач взаимодействия роботов с подвижными объектами со сложным динамическим поведением и использование полученных результатов для создания систем дистанционного управления в динамических средах с использованием подхода распределенной автономии.
Научная новизна. Разработаны новые методы моделирования динамики манипуляторов с нелинейными элементами в приводах. Разработан эффективный в вычислительном плане метод формирования и расчета коэффициентов уравнений динамики манипуляторов в форме уравнений Лагранжа II рода. Для интегрирования уравнений динамики манипуляторов с нелинеиностями в моделях приводов и упругими элементами в шарнирах разработаны эффективные алгоритмы на основе неявных методов. С помощью разработанных методов создан стенд натурного моделирования движения большого космического манипулятора.
В работе предложен новый подход к созданию систем дистанционного управления роботами через сеть Интернет. Он основан на использовании эффективных алгоритмов обмена данными между контроллером робота и удаленным оператором, динамических моделей робота и объектов рабочей среды, и виртуальной среды управления ("виртуального дублера" робота и реальной рабочей среды), отображающей в реальном времени текущее состояние робота и его рабочего пространства. Впервые виртуальная среда используется не только для предварительной отработки операций, но и для непосредственного управления реальным роботом. Разработанные
методы позволили преодолеть влияние задержек сети Интернет и позволяют создавать эффективные системы дистанционного управления роботами для медленных каналов связи общего пользования.
Новой является разработанная среда дистанционного программирования движения роботов через сеть Интернет.
Предложен эффективный метод выполнения операций захвата объектов роботом-манипулятором в ручном режиме управления. Метод основан на использовании полупрозрачных изображений.
Разработаны алгоритмы управления роботом-манипулятором при его взаимодействии с подвижными объектами с использованием в контуре управления системы технического зрения. Алгоритмы основаны на построении прогноза положения объектов с использованием моделей динамики их движения.
Разработаны алгоритмы взаимодействия робота с подвижными объектами при управлении роботом через сеть Интернет. Впервые проведена успешная натурная отработка алгоритмов с использованием каналов связи общего пользования. Это открывает новые возможности по использованию управляемых через Интернет роботов для их работы в динамически изменяющихся средах.
Все результаты диссертации являются новыми.
Практическая ценность работы. Создано математическое и программное обеспечение комплекса натурного моделирования движения бортового манипулятора космического корабля "Буран". Применение разработанных методов моделирования позволило организовать работу комплекса в масштабе реального времени, что дало возможность использовать его в качестве тренажера при обучении операторов. Результаты диссертации применялись в созданном в ЦНИИМАШ стенде-тренажере, который использовался для обучения
космонавтов навыкам выполнения операций с манипулятором БКМ. Возможно применение разработанных методов и стенда для моделирования и натурного воспроизведения движения широкого класса роботов-манипуляторов. В частности, созданные алгоритмы использовались при моделировании динамики платформы наведения научной аппаратуры для проекта "Марс-98".
Разработанные методы управления роботами через сеть Интернет применимы к широкому классу систем дистанционного управления роботами с задержками в каналах связи. В частности, представляет интерес использование алгоритмов взаимодействия робота с подвижными объектами для моделирования, натурной отработки и непосредственного выполнения задач захвата объектов в космосе с помощью дистанционно управляемых робототехнических систем.
Разработан набор стандартных интерфейсов и программных модулей "Интернет робототехника", включающий систему трехмерной визуализации робота и его рабочего пространства, модуль дистанционного программирования роботов, модуль передачи и отображения видеоинформации, интерфейсы оператора для управления мобильными и манипуляционными роботами, модуль сетевого обмена данными» модуль обеспечения безопасности работы систем управления с открытым доступом. С помощью этих модулей обеспечивается быстрая разработка систем управления через Интернет новыми типами роботов. В частности, были созданы системы управления через Интернет роботами-манипуляторами РМ-01 и CRS А465, а также мобильным роботом Nomadic XR4000.
Особую актуальность представляет создание на базе существующих и разрабатываемых систем управления роботами через Интернет среды дистанционного обучения и научных исследований. Принципиальная особенность таких систем - возможность проведения
экспериментов с реальным роботом и оборудованием — особенно важна для университетов и других учебных заведений, не имеющих такого оборудования. Разработанные системы с открытым дистанционным доступом позволят совместно использовать дорогостоящее робототехническое оборудование. Многие российские университеты проявили интерес к использованию таких систем.
Были разработаны задачи практикума по мехатронике для студентов механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с возможностью дистанционного управления роботом-манипулятором через Интернет.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на научно-практической конференции "Применение ЭВМ в задачах механики" (Севастополь, 1991 г.), на научно-практической конференции "Космическая робототехника: проблемы и перспективы" (Калининград, 1991 г.), на научно-технической конференции "Роботы в экстремальных средах" (С- Петербург, 1992, 2001 и 2002 г.г.), на Международной конференции по крупногабаритным космическим конструкциям ICOLASS'93 (Новгород, 1993 г.), на 7ой Международной конференции по перспективной робототехнике International Conference on Advanced Robotics ICAR'95 (Сант Фелью де Гуиксол, Испания, 1995 г.), на Международной конференции по интеллектуальным роботам и системам IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS'97 (Гренобль, Франция, 1997 г.) и IROS'2000 (Такаматсу, Япония, 2000 г.), на Международной конференции по робототехнике и автоматизации IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA'98 (Левен, Бельгия, 1998 г.) и ICRA'2001 (Сеул, Южная Корея, 2001 г.), на Международной конференции по адаптивным роботам и GSLT International Conference on Adaptive Robots and General System
Logical Theory (С- Петербург, 1998 г.), на научной школе-конференции "Мобильные роботы и мехатронные системы" (Москва, 1998 г. и 2001 г.), на Международной конференции по визуализации информации IEEE International Conference on Information Visualisation IV'99 (Лондон, Англия, 1999 г.), на 6ой Конференции английского общества виртуальной реальности Sixth UK VR-SIG Conference (Сэлфорд, Англия, 1999 г.), на Семинаре по распределенной робототехнике и автоматизации (Сеул, Южная Корея, 2001 г.), на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), 11ом Международном семинаре по робототехнике International Workshop on Robotics RAAD-2002 (Балатонфюред, Венгрия, 2002 г.), на 33см Международном симпозиуме по робототехнике International Symposium on Robotics ISR'2002 (Стокгольм, Швеция, 2002 г.), на совместном расширенном заседании Научного совета РАН по робототехнике и автоматизации производства и Учебно-методического совета Министерства образования РФ (Москва, 2002 г.), на семинаре по робототехнике в Институте кибернетики Нанта (IRCCyN-CNRS) под руководством проф. К. Шеваллеро, на семинаре по робототехнике в Лаборатории анализа и архитектур систем (LAAS-CNRS, Тулуза, Франция) под руководством проф. М. Галлаба, на семинаре по компьютерной графике Группы компьютерной графики в университете Де Монтфорт (DMU, Милтон Кейнс, Англия) под руководством проф. Г. Клапворси, на семинаре по робототехнике в парижской Лаборатории робототехники (LRP) под руководством проф. Ф. Бидо, на Всероссийском семинаре "Механика и управление движением роботов" на механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством акад. Д.Е. Охоцимского и проф. Ю.Ф. Голубева, на семинаре в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН под руководством акад. Д.Е. Охоцимского, на семинаре по теоретической механике в МЭИ, на
семинаре в Институте проблем механики РАН под руководством проф. В.Г. Градецкого, на семинаре по прикладной механике и управлению в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством акад. А.Ю. Ишлинского.
Разработанная система управления через Интернет роботом CRS А465 была успешно продемонстрирована во время "Дней цифровых технологий" (Монтэпо, Франция, 1999 г.). Возможности системы управления через Интернет роботом РМ-01 были продемонстрированы во время робототехнической выставки в рамках "Дня механико-математического факультета" в МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2001 г. и 2002 г.). В мае 2001 года во время Семинара по распределенной робототехнике и автоматизации в рамках Международной конференции по робототехнике ШЕЕ International Conference on Robotics and Automation ICRA'2001 (Сеул, Южная Корея), был проведен успешный сеанс управления роботом РМ-01 через Интернет по обычному каналу связи (на расстоянии свыше 10000 км).
На основе результатов диссертации подготовлен и прочитан спецкурс "Моделирование и дистанционное управление роботами через сеть Интернет" на механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (спецкурс читается с февраля 2002 г.).
Публикации. По результатам работы имеется 41 публикация, включая 13 статей в журналах и сборниках [4,8,10,14,18,20-21,23-24,51,84,99,194], 19 докладов на конференциях [6-7,11,15-17,19,52,70,78,80-81,83,85-86,172-174,193] (17 статей и 2 тезисов), 4 препринта [5,22,49-50], 2 отчета [9,79] и 3 электронные публикации [12-13,82].
Вклад автора. Автором самостоятельно выполнены исследования, положенные в основу материала глав 1-4, а задачи, представленные в главах 5 и 6, решались автором в составе научного коллектива. В задаче, представленной в главе 5, автором разработаны алгоритмы управления движением робота, выполнена интеграция программного обеспечения всех компонент экспериментального стенда, экспериментальная отработка алгоритмов управления. Автор принимал участие в разработке моделей динамики объектов и методов анализа ситуаций. В задаче, представленной в главе 6, автором предложена постановка задачи, разработаны алгоритмы управления роботом, архитектура системы, алгоритмы и программное обеспечение клиентской части и интерфейс оператора, процедуры обмена данными между модулями системы, выполнена экспериментальная отработка алгоритмов управления.
Благодарности. Автор считает своим долгом выразить благодарность всем, с кем посчастливилось сотрудничать при постановке и решении задач, включенных в данную диссертационную работу. Это сотрудники ИПМ им. М.В. Келдыша РАН академик РАН, д.ф.-м.н. Д.Е.Охоцимский, д.ф.-м.н., профессор А.К.Платонов, д.ф.-м.н. В.В.Сазонов, д.ф.-м.н. В.А.Карташев, д.ф.-м.н. С.М.Соколов, к.ф.-м.н. В.Ю.Чебуков, к.ф.-м.н. В.СЯрошевский, к.ф.-м.н. А.А.Богуславский, инженер С.Н.Емельянов. Автор благодарен руководителю группы компьютерной графики университета де Монтфорт (Милтон Кейнс, Англия) профессору Г. Клапворси и сотруднику лаборатории анализа и архитектур систем (Тулуза, Франция) д-ру М. Деви за содержательное обсудение и ценные рекомендации при выполнении отдельных фрагментов работы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержит 257 страниц текста, 71 рисунок. Список цитируемой литературы - 210 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемых задач, научная новизна разработанных методов, показана практическая значимость полученных результатов и кратко описано содержание диссертации.
Первая глава посвящена описанию эффективных в вычислительном плане методов моделирования кинематики и динамики роботов-ман ипуляторов.
Формирование уравнений динамики, которые могут быть рассчитаны на ЭВМ за минимальное время, является одной из важнейших задач в робототехнике. Ее решение необходимо как для моделирования динамики манипуляторов в масштабе реального времени, так и для разработки совершенных алгоритмов управления роботами с учетом динамики [66].
В первой части главы дается обзор методов описания кинематики и динамики роботов. Представленные алгоритмы формирования уравнений динамики сравниваются по таким критериям, как возможность решать прямую и обратную задачи динамики, эффективность программирования, применимость к алгоритму символьных преобразований, замкнутость уравнений. Особое внимание уделяется анализу вычислительной эффективности рассматриваемых алгоритмов и их способности решать необходимую при моделировании
манипуляторов прямую задачу динамики (определение движения манипулятора по действующим на него внешним моментам и силам).
В разделе 1.2 приводится формализация метода последовательного формирования систем координат звеньев манипулятора для описания его кинематики. Для расчета кинематических и динамических величин используются матрицы преобразования координат размера 3x3 и вектора относительных перемещений. Показано применение метода для бортового манипулятора космического корабля "Буран" и промышленного робота-манипулятора РМ-01. В разделах 1.3 - 1.5, представлен метод расчета коэффициентов уравнений динамики манипуляторов в форме уравнений Лагранжа II рода. Метод применим для манипуляторов с вращательными и поступательными шарнирами, соседние оси которых перпендикулярны или параллельны. Приведена оценка вычислительных затрат, необходимых для расчета кинематики и динамики манипуляторов данного типа.
В разделе 1.6 представлено использование языка символьных вычислений REDUCE для символьного вывода уравнений динамики манипуляторов. Приводится анализ вычислительной эффективности уравнений в символьном виде для манипуляторов с 2 и 3 степенями свободы.
Для замыкания системы уравнений динамики необходимо получить выражения для обобщенных моментов в шарнирах. Они определяются типами и параметрами двигателей, механических передач (редукторов), а также особенностями системы управления робота. В разделе 1.7 рассмотрены электромеханические привода общего вида с двигателями постоянного тока, обратимыми зубчатыми редукторами и замкнутыми по положению и скорости следящими системами. Представлены различные по сложности модели приводов, в которых
учитываются упругость в шарнирах и нелинейные элементы: люфт, муфты предельного момента, тормоза.
Во второй главе описаны способы повышения скорости интегрирования уравнений динамики за счет использования неявных методов.
С интегрированием уравнений динамики манипуляторов связаны наибольшие трудности при моделировании в реальном времени. Несмотря на существенную жесткость уравнений динамики большинства манипуляторов, во многих системах моделирования космических и других манипуляторов используются явные методы
интегрирования, в которых приходится выбирать малый (порядка 10' — 10"5 сек) шаг интегрирования, чтобы обеспечить устойчивость вычислительной схемы [40-41, 80].
Во второй главе описан один из способов повышения скорости интегрирования уравнений динамики за счет использования неявных методов интегрирования. Рассмотрены особенности применения неявного метода Эйлера к решению систем уравнений динамики манипуляторов, линейных по скоростям, но имеющих нелинейные элементы в приводах и механических передачах (люфт, ограничения на напряжения и ток в обмотках электродвигателей, ограничения на максимальную величину момента в редукторе). Учитывается также упругость шарниров манипулятора. Разработано несколько интерполяционных алгоритмов, обеспечивающих устойчивость и высокую точность разностной схемы при интегрировании систем с указанными нелинейностями. При этом величина шага интегрирования может быть увеличена на 2-3 порядка по сравнению с явными методами. Приведены оценки погрешности и вычислительной эффективности алгоритмов на примере моделирования динамики большого космического манипулятора.
В третьей главе представлены архитектура, программное обеспечение и организация работы стенда-тренажера, предназначенного для воспроизведения движений схвата большого космического манипулятора - бортового манипулятора космического корабля "Буран".
Приводится обзор современных методов моделирования космических манипуляторов и орбитальных систем, раскрыты преимущества и недостатки различных подходов к созданию тренажеров и моделирующих комплексов. В разделе 3.2 рассмотрены вопросы выбора моделей и методов моделирования динамики БКМ, описываются алгоритмы работы предлагаемого стенда-тренажера. В разделе 3.3 описаны методы организации работы стенда в масштабе реального времени, что дает возможность использовать его при обучении операторов навыкам работы с БКМ, а также для разработки алгоритмов выполнения операций с дистанционно управляемыми манипуляторами других типов. В разделе 3.4 представлены результаты экспериментов по натурному моделированию динамики БКМ.
В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки эффективных систем управления роботами через сеть Интернет.
В большинстве разработанных к настоящему времени систем, управление роботами основано на передаче телеизображений. Поэтому при использовании стандартных каналов связи они обладают такими недостатками, как наличие существенных задержек и неудобная для оператора среда управления. Помимо существенных задержек при передаче видеоизображений, их размер и качество могут затруднять оператору оценку положения робота и расстояний между объектами рабочего пространства. Обзор существующих систем управления роботами через Интернет представлен в разделе 4.1.
Для преодоления этих недостатков разработаны новые методы
эффективного управления роботами через сеть Интернет для работы в каналах связи общего пользования. Методы основаны на использовании "виртуального дублера" — виртуальной среды управления, содержащей трехмерную компьютерную модель робота и его рабочего пространства и отображающей их текущее состояние. Использование при управлении моделей робота и рабочей среды обеспечивает быструю реакцию системы на действия оператора за счет минимизации потока передаваемых данных и обеспечивает эффективную работу даже при наличии существенных задержек в канале связи.
Состав оборудования и программная реализация разработанных систем управления роботами через Интернет описаны в разделе 4.2.
Особенности виртуальной среды дистанционного управления роботами представлены в разделе 4,3. Отметим, что хотя для непосредственного управления роботом использовалась виртуальная среда, изображения робота и его рабочего пространства также передавались оператору в ограниченном объеме с целью контроля реального состояния процесса выполнения операции, состояния робота и объектов.
Одной из основных задач, стоящих при разработке систем управления роботами через Интернет, являлось создание для оператора комфортной среды управления. Помимо трехмерной виртуальной среды она также содержит графический пульт дистанционного управления, представленный в разделе 4.4, и модуль дистанционного программирования роботов. Был разработан язык и среда дистанционного программирования, которые повышают эффективность планирования и выполнения сложных повторяющихся операций. Реализована возможность программирования роботов в off-line и on-line режимах. Особенности системы дистанционного программирования представлены в разделе 4.5.
На основе разработанных методов были реализованы системы управления через Интернет роботами-манипуляторами РМ-01 и CRS А465, а также мобильным роботом Nomadic XR4000. Высокая эффективность разработанных методов при использовании медленных каналов связи общего пользования была подтверждена в многочисленных экспериментах, В разделе 4.6 представлены особенности разработанных систем и экспериментальные результаты. Обсуждаются направления дальнейших исследований и области возможного использования результатов работы.
С использованием описанных методов были разработаны задачи практикума по мехатронике для студентов механико-математического факультета МГУ с возможностью дистанционного управления роботом-манипулятором РМ-01 через Интернет. Постановка задач приведена в разделе 4.7. В разделе 4.8 рассмотрены вопросы обеспечения безопасности работы системы управления робота с открытым доступом через Интернет.
В пятой главе описываются алгоритмы управления роботом-манипулятором в задачах взаимодействия с подвижными объектами при использовании в контуре управления системы технического зрения. Объекты совершают заранее неизвестное быстрое движение под действием естественных сил. Рассмотрены задачи автоматического захвата стержня на би филярном подвесе и взаимодействия со сферическими маятниками - подвешенными на нитях теннисными мячами.
Основная цель экспериментов со стержнем - обеспечить его быстрый и надежный захват манипулятором. Эксперименты с мячами заключались в выполнении роботом одной из следующих операций: 1) подставить схват под качающийся мяч так, чтобы после удара мяч отследил желаемую эллиптическую траекторию, 2) ударить схватом по
качающемуся мячу так, чтобы он сбил неподвижную мишень, 3) ударить схватом по качающемуся мячу так, чтобы он попал в другой качающийся мяч, 4) ударить схватом по качающемуся мячу так, чтобы он попал в другой качающийся мяч и этот второй мяч сбил неподвижную мишень.
Основой алгоритмов управления является совместное использование системы технического зрения и моделей динамики подвижных объектов, что позволило планировать движение робота на базе прогноза положения объектов. Приведены характеристики экспериментального стенда и результаты экспериментов.
Отметим, что практически во всех разработанных другими авторами системах использовались роботы с совершенными системами управления, и даже специально сконструированные роботы, что позволяло отслеживать движение взаимодействующих с ними объектов. В диссертации рассмотрены задачи управления роботом с ограниченными возможностями по скорости и управлению, что расширяет диапазон применимости разработанных методик.
Существенным обстоятельством в работе была ограниченность максимальной скорости движения используемого манипулятора РМ-01 — схват может двигаться со скоростью не более 0.7 м/сек, в то время как объекты совершают движения со скоростями порядка 1.5 м/сек. Кроме этого, было необходимо использовать позиционный режим программирования движения робота, обеспечивающий наивысшую скорость схвата. Таким образом, задача заключалась в необходимости научиться алгоритмически преодолевать ограничения механики и логики робота при его взаимодействии с предметом, скорость движения которого может превышать скорость движения манипулятора.
Основная особенность примененного подхода состоит в необходимости разработки довольно сложной модели движения для каждого объекта манипулирования. В шестой главе представлен более универсальный метод прогноза движения с помощью простейших эмпирических моделей и экстраполяции результатов наблюдений текущего движения объектов.
Описываются эксперименты по захвату роботом-манипулятором стержня, качающегося на бифилярном подвесе, при управлении роботом через сеть Интернет. Используется распределенное управление, при котором оператор формирует начальное движение стержня, выбирает желаемые точку и момент времени захвата, а финальная операция выполняется роботом автоматически. Формирование стратегии захвата выполняется оператором с использованием трехмерной on-line модели робота и объекта, отображающей их текущее состояние. Перед захватом с помощью измерений, выполняемых системой технического зрения, и модели колебаний стержня осуществляется определение движения последнего и выполняется прогноз этого движения. На основании прогноза рассчитываются условия захвата и соответствующие команды для его выполнения роботом. В разделе 6.1 дается постановка задачи. В разделе 6.2. описаны алгоритмы прогнозирования движения объектов. Описание экспериментального стенда и интерфейса дистанционного управления приведено в разделе 6.3. Представлены направления дальнейших исследований и области возможного практического применения результатов.
С использованием подхода распределенной автономии впервые решена задача взаимодействия робота-манипулятора с быстрым подвижным объектом при управлении роботом через сеть Интернет. Использовался обычный канал связи с задержками при передаче видео
изображений более 1 сек. Описанный способ дистанционного управления роботом при захвате подвижного объекта позволяет использовать навыки оператора при планировании операции на верхнем уровне с возможностью автоматически выполнять ее финальную стадию. Такой подход может оказаться полезным при решении других задач управления роботами, взаимодействующими с подвижными объектами. Особенно эффективными разработанные методы могут оказаться для дистанционного управления роботами с задержками в каналах связи. В частности, для моделирования, натурной отработки и непосредственного выполнения задач захвата объектов в космосе с помощью дистанционно управляемых робототехнических систем.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
