Введение к работе
1 Актуальность темы исследования
Многозвенные манипуляторы используются для повышения
эффективности работы в пространстве с множеством препятствий
или в сильно ограниченном рабочем пространстве типа тоннеля, так
как позволяют получать различные конфигурации робота без
смещения конца исполнительного механизма от цели. Такие
манипуляторы могут применяться в медицине (хирургические
операции с минимальным повреждением кожных покровов,
зондирование и т.д.), космической промышленности
(монтаж/демонтаж сложных деталей, съемка параметров и т.д.), различных производственных системах, для диагностики. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в радиоактивных средах. При управлении движением манипулятора вначале определяется перемещение конца исполнительного механизма робота в окрестность заданной точки, затем осуществляется управление точным перемещением манипулятора для достижения требуемой точки. При этом важной является задача поиска траектории многозвенного манипулятора, удовлетворяющей условию безударного обхода препятствий. Традиционные методы решения задач планирования траекторий и управления движением не всегда подходят для многозвенных манипуляторов, так как связаны с большим количеством вычислений и не всегда имеют решение.
Исследования, посвященные способам поиска траекторий робототехнических систем различных классов, можно найти в работах отечественных и зарубежных ученых (Козырева Ю.Г., Крутько П.Д., Кулакова А.Ф., Тимофеева А.В., Bonner P., Cameron S., Fu К., Ma S., McLean A., Kobayashi I., Rembold U., Woern H. и других). В них получены алгоритмы поиска траекторий для относительно небольшого числа звеньев (не более 10). Улучшение методов решения задачи поиска траекторий, расширение условий применимости алгоритмов поиска траекторий создает предпосылки для построения более эффективных систем управления многозвенными манипуляторами.
Основными трудностями, возникающими при разработке алгоритмов поиска оптимальных траекторий многозвенных манипуляторов, являются:
-большое количество звеньев. Для определения конфигурации манипулятора необходимо рассчитать тем или иным способом собственные переменные каждого звена манипулятора, а также учесть ограничения, связанные с физической структурой манипулятора;
-сложность рабочего пространства. Манипуляторы
рассматриваемого класса предназначены, как правило, для выполнения работы в пространствах с большим количеством препятствий либо в пространствах типа узкого тоннеля.
Для преодоления данных трудностей можно воспользоваться интеллектуальными методами, которые в ряде случаев позволяют получить решение рассматриваемой задачи без применения сложных вычислений.
В связи с этим возникает важная задача разработки интеллектуальных методов поиска траекторий многозвенных манипуляторов, предусматривающих обход препятствий и уклонение от столкновений с ними при работе в сложном рабочем пространстве, а также обеспечивающих приемлемое значение показателей качества.
Цель работы
Целью работы является исследование и разработка интеллектуальных методов поиска траекторий многозвенного манипулятора, пригодных для использования в условиях сложного рабочего пространства и большого числа звеньев.
Задачи исследования
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
разработать метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического подхода по критерию минимальной длины траектории;
разработать метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе комбинирования генетического подхода и эвристического рекурсивного алгоритма;
разраиОтать метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического подхода с применением экспертной системы;
- разработать алгоритмическое и программное обеспечение для
реализации предложенных методов поиска траекторий
многозвенных манипуляторов на моделирующем комплексе и
средства визуализации результатов решения задач;
- разработать методику исследования работоспособности и
эффективности предлагаемых методов поиска траекторий в
сложном рабочем пространстве, исследовать работоспособность и
эффективность разработанных методов, алгоритмов и
программного обеспечения.
з Методика исследования
В работе использовались методы разработки
интеллектуальных систем, генетических алгоритмов, экспертных систем. В работе также учитываются основные положения робототехники, применяются методы анализа кинематики и динамики манипуляторов. При разработке программного обеспечения применялись объектно-ориентированный подход, методы геометрического и имитационного моделирования, машинной графики.
Результаты, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического подхода по критерию минимальной длины пути;
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе комбинирования генетического подхода и эвристического рекурсивного алгоритма по критерию минимальной длины пути;
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического подхода с применением экспертной системы по критерию минимальной длины пути;
алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее разработанные методы поиска траекторий;
методика и результаты исследования работоспособности и эффективности предложенных методов поиска траекторий многозвенных манипуляторов, алгоритмов и программного обеспечения.
Научная новизна
Новыми являются разработанные и исследованные автором:
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического подхода по критерию минимальной длины пути. Новизна предложенного метода состоит в оригинальной интерпретации генетического подхода для задачи поиска наилучшей траектории в условиях сложного рабочего пространства;
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе комбинирования генетического подхода и эвристического рекурсивного поиска. Новизна предложенного метода состоит в комбинировании генетического подхода и эвристического рекурсивного алгоритма для ускорения поиска траектории;
метод поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в двухмерном сложном пространстве на основе генетического
подхода с использованием экспертной системы. Новизна предложенного метода состоит в применении экспертной системы наряду с использованием генетического подхода для улучшения качества поиска;
методика оценки качественных и количественных показателей работоспособности и эффективности алгоритмов поиска траекторий в сложном рабочем пространстве. Новизна методики состоит в том, что для новой задачи сформулирована методика проверки работоспособности и эффективности по принципу одноцелевого и многоцелевого поиска;
алгоритмы, реализующие предложенные оригинальные методы поиска траекторий.
Практическая значимость и внедрение результатов Практическую значимость имеют полученные автором
следующие результаты:
алгоритм поиска наилучшей траектории многозвенного
манипулятора в условиях сложного рабочего пространства на
основе генетического подхода по критерию наименьшей длины
пути;
- комбинированный алгоритм поиска наилучшей траектории
многозвенного манипулятора в условиях сложного рабочего
пространства на основе генетического подхода и эвристического
рекурсивного алгоритма;
алгоритм поиска наилучшей траектории многозвенного манипулятора в условиях сложного рабочего пространства на основе генетического подхода с применением экспертной системы;
реализация предложенных алгоритмов в компьютерной моделирующей среде и программное обеспечение для IBM PC, обладающее развитым интерфейсом пользователя, средствами визуализации и позволяющее производить исследования работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов;
методика и результаты компьютерного тестирования, позволяющие оценить качественные и количественные показатели эффективности алгоритмов поиска траекторий в сложном рабочем пространстве.
Разрабоганное программное обеспечение моделирования и поиска траекторий многозвенных манипуляторов зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ РосАПО.
Внедрение результатов, полученных в работе, осуществлено в Институте систем реального времени и робототехники университета Карлсруэ (Германия) в виде программного обеспечения для поиска траекторий многозвенного манипулятора (1999, 2000 гг.), в НПФ "Р&Д Технология". Внедрение моделирующего комплекса позволяет моделировать поиск траектории многозвенного
манипулятора в сложном пространстве, исследовать возможности и оценить работоспособность и эффективность разработанных методов.
Связь исследования с научными программами
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальных наук на 1997-2000 гг.», программы поддержки научных исследований в области технических наук Академии наук РБ, по хоздоговорной научно-исследовательской теме "Интеллектуальное управление. Принятие решений в сложных системах" № ИФ-ТК-16-00-03/6, а также в рамках сотрудничества с Институтом систем реального времени и робототехники университета Карлсруэ (Германия) и частично была поддержана проектом по программе Copernicus (Project 15 СТ 96-07-02).
Апробация и публикации
Основные положения, представленные в диссертационной работе докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на различных международных конференциях, посвященных проблемам моделирования, системам обработки информации и управления, использованию робототехнических систем, в частности, на Международной молодежной научно-технической конференции (Уфа, 1999), ASI'99 "Life Cycle Approaches to Production Systems: Management, Control and 5ирегуізіоп"(Бельгия, 1999), "Intelligent Autunomous Systems 6" (Италия, 2000), ASI'2000 "Life Cycle Approaches to Production Systems: Management, Control and Supervision" (Франция, 2000), а также на международных совещаниях участников проекта по программе Copernicus: в техническом университете Познани (Польша, 1998), в УГАТУ (1998). Кроме того, они были доложены на семинаре в Институте систем реального времени и робототехники университета Карлсруэ (Германия, 1999,2000).
Результаты работы отражены в 20 публикациях.
Благодарности
Автор выражает благодарность:
- ст. преподавателю кафедры ВМК к.т.н. Никифорову Д.В. за весьма полезные консультации по вопросам разработки моделирующего комплекса для реализации предложенных методов и алгоритмов поиска траекторий многозвенного манипулятора.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, литературы и приложения. Объем основной части диссертации составляет 145 страниц.
