Донецкий национальный технический университет
Тимонов Алексей Витальевич
Тема магистерской работы:
"Разработка алгоритмов управления шестиногим шагающим
аппаратом "Катарина"
на основе заданных походок"
Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики
Специальность 7.091402 "Автоматика и телекоммуникации"
Автореферат магистерской выпускной работы
Научный руководитель: доц., к.т.н. Рафиков Г. Ш.
Донецк-2002
E-mail: timonov@ukrtop.com, timalex1206@mail.ru
[ Главная страница ] [
Библиотека ] [
Ссылки ] [
Результаты поиска ]
Общая характеристика работы
Организация движения живых существ по поверхности земли издавна привлекала исследователей. Особенно широкое распространение среди сухопутных животных имеет способ перемещения с помощью ног. Изучению такого движения посвящено много работ, в которых установлено большое многообразие походок (около 5024), используемых животными применительно к их среде обитания.
Идея перемещения аппарата с помощью ног, аналогично сухопутным животным, человеку нравится давно. Так как такие аппараты позволяют развивать достаточные скорости и перемещаться по сложной, пересеченной местности, невозможной для прохождения колесных и даже гусеничных механизмов.
Шагающий аппарат представляет собой сложную механическую систему. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с использованием ног, являются существенными и связаны с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающих требуемые кинематические возможности шагающего устройства. С появлением вычислительной техники, исследования в направлении создания шагающих машин получили широкое развитие.
При создании автоматических шагающих аппаратов, с высокой степенью автономии, большое значение уделяют исследованиям, посвященным разработке устройств, способных самостоятельно ориентироваться в окружающей обстановке. Исследования труднодоступных и опасных районов Земли и других планет космоса – области, где могут широко применятся автономные аппараты, снабженные элементами искусственного интеллекта.
В настоящее время сложность моделей шагающего аппарата не всегда позволяет использовать натуральный эксперимент для проверки работы проектируемого объекта. Эта ситуация требует не только повышения точности известных приемов инженерного проектирования, но и значительного расширения круга используемых методов, таких как программного моделирования.
В соответствии с поставленной целью основными задачами являются следующие:
- Разработать эффективные алгоритмы управления движением шагающего аппарата “Катарина”.
- Для проверки работоспособности найденных алгоритмов провести моделирование движения.шагающего аппарата и экспериментальные исследования синтезированных алгоритмов.
- Провести анализ результатов, полученных при экспериментальных исследованиях с целью подтверждения работоспособности синтезированных алгоритмов управления.
В результате выполнения данной работы на основе найденых алгоритмов управления разработано программное обеспечение с использованием пакета прикладных программ Matlab 5.2. С целью проверки полученных теоретических результатов проведено моделирование и экспериментальные исследования синтезированных алгоритмов. Анализ результатов, полученных при экспериментальных исследованиях, подтвердил работоспособность синтезированных алгоритмов управления. Найденные алгоритмы могут быть использованы для организации движения шестиногого шагающего аппарата “Катарина”, а также для управления шагающими транспортными системами этого класса.
Результаты данной работы доложены на семенаре, проходившему в рамках Дня науки на кафедре АТ ДонНТУ и на международной научно-технической конференции “Автоматизация. Поиск молодых”, проходившей в апреле 2002 года в г. Донецке в ДонНТУ. Материалы доклада опубликованы в сборнике научных трудов конференции.
Содержание работы
Введение
Создание промышленных роботов-манипуляторов, способных заменить человека на многих участках современного производства, а также автоматических систем, которые могут быть использованы в условиях, опасных для человека, является актуальной научной и технической проблемой. Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности.
Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.
Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом – центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.
Конструктивные особенности шагающего аппарата "Катарина" и его технические характеристики
Шагающий аппарат содержит корпус, снабженный шестью ногами. В центре корпуса расположен гироскопический датчик, сообщающий системе управления информацию об ориентации корпуса по отношению к вектору силы тяжести; в передней части укреплен оптический дальномер, доставляющий информацию о поверхности, по которой перемещается шагающий робот. Шестиугольный корпус служит как носитель (основа) для шести конечностей, а также для рабочей платформы. Внутри корпуса размещается микропроцессорная система управления и силовая часть.
Каждая конечность имеет три степени свободы, и приводится в действие с помощью двигателя с механизмом (передача, коробка передач, редуктор). В нижней части конечности находятся три датчика усилия для измерения реакции силы ноги.
Основные характеристики шагающего аппарата “Катарина”:
- Высота корпуса – 10 см;
- Длина стороны – 17 см;
- Общая масса – 21 кг;
- Размер конечности – 40,5 см;
- Масса конечности – 2.8 кг;
- Масса корпуса с микропроцессором – 3,8 кг;
- Скорость – около 0,4 км/ч;
- Полезная нагрузка – 5 кг;
- Длина бедра – 13,4 см;
- Длина голени – 20,2 см;
- Поверхность касания конечности – 28,3 см2.
Рисунок 1 – Конструкция конечности шагающего аппарата
Блок-схема системы управления шагающим аппаратом
Система управления шагающим аппаратом формирует и исполняет управляющие сигналы, обеспечивающие движение аппарата с автоматической адаптацией: к малым неровностям поверхности по командам оператора (или верхнего уровня), задающего основные характеристики ходьбы и движение корпуса аппарата. На входы системы поступают сигналы от следующих датчиков, установленных на макете: шести датчиков кон-такта стопы с поверхностью; датчиков усилий, развиваемых ногами; гировертикали; опти-ческого дальномера. Ее выхо-ды (выходы блока преобразо-вателей координат) являются входами блока усилителей сле-дящих систем (БУСС), состоя-щего из 18 отдельных усилите-лей, на входы которых посту-пают сигналы с 18 позиционных датчиков углов поворота звень-ев ног.
Система управления состоит из следующих крупных блоков:
- блока управляемых генераторов шаговых циклов, который содержит шесть идентичных генераторов, формирующих в плоскости некоторых вспомогательных декартовых координат замкнутые пространственно-временные кривые шагового цикла каждой ноги;
- блока линейного преобразования координат, который обеспечивает геометрическую привязку шаговых циклов к корпусу и конечностям аппарата и их масштабирование;
- блока маневрирования, который по командам от верхнего уровня деформирует шаговые циклы ног так, чтобы обеспечить требуемое пространственное положение корпуса аппарата;
- блока преобразователей декартовых координат концов ног в угловые координаты звеньев ног, который состоит из шести идентичных нелинейных трехмерных следящих систем, обеспечивающих формиро-вание сигналов на входы блока усилителей следящих систем, а также учет границ рабочих зон ног.
Блочное построение системы управления с относительно не-большим числом каналов связи блоков друг с другом обеспечивает удобство работы с системой, позволяет вести настройку и проверку качества работы отдельных блоков, а также легко контролировать функционирование в целом.
Уравнения генератора шагового цикла при регулярной походке шагающего аппарата
Для формирования шагового цикла [1] выберем вспомогательную плоскость с декартовыми координатами 
, 
. Замкнутую кривую, задающую шаговый цикл, определим в этой плоскости с помощью системы дифференциальных уравнений:
(1)
где – абсцисса, – ордината; 
– положительные постоянные, являющиеся параметрами шагового цикла и отвечающие за его форму и размеры; 
– функции, принимающие значения 0 и 1 на отдельных участках интегральной кривой (рис. 2).
Рисунок 2 – Характерный вид шаговых циклов
Если параметры шаговых циклов для всех ног одинаковы, то шаговые циклы будут отличаться друг от друга лишь сдвигами по времени, которые определяют тип походки.
Линейное преобразование координат шаговых циклов
Кривая шагового цикла с помощью блока линейного преобразования координат превращается в траекторию стопы ноги. Опишем это преобразование [2], воспользовавшись следующими системами координат: неподвижной, жестко связанной с поверхностью 
, жестко связанной с корпусом аппарата 
и связанной с корпусом полужестко 
. Для того чтобы связать плоскости шаговых циклов с координатами стоп, рассмотрим векторы
(2)
компоненты которых 
получаются путем умножения 
и 
на масштабные коэффициенты 
, задающие линейные размеры цикла в осях . Тем самым все циклы располагаются в плоскости . Преобразованием
(3)
осуществляется общий поворот на угол 
вокруг оси 
, вертикальное перемещение вниз на расстояние h и индивидуальная привязка циклов к различным точкам пространства.
Уравнения блока маневрирования
Блок маневрирования предназначен для обеспечения требуемого пространственного положения и движения корпуса аппарата. С целью обеспечения требуемой линейной и угловой скорости корпуса аппарата шаговый цикл на участке опоры подвергнем деформации.
Положение стопы ног с номером i определим формулой:
(4)
где 
– радиус-вектор точки O в абсолютной системе координат, а 
– радиус-вектор, проведенный из точки O в стопу.
Движение корпуса задается лишь опорными ногами, стопы которых покоятся в абсолютном пространстве. Условие неподвижности стоп принимает вид:
(5)
где 
– скорость точки O, а 
– угловая скорость корпуса. Формулы, описывающие процесс маневрирования аппарата, могут быть упрощены, если принять, что скорость центра корпуса специально не задана, а получается вследствие программного относительного движения опорных ног:
(6)
где 
– векторы отклонения стопы от программного значения, задаваемого шаговым циклом. Тогда
(7)
Данное соотношение лежит в основе функционирования блока маневрирования. Такой метод построения движения шагающего аппарата способен обеспечить достаточно сложное маневрирование аппарата на местности. Управление линейной скоростью осуществляется либо за счет непосредственного задания ее координат, либо путем задания периода шаговых циклов T, если построение движения производится с помощью формулы (7). Посредством изменения масштабных множителей можно изменить длину шага, заданием параметра h можно регулировать высоту корпуса над опорной поверхностью.
Блок преобразователей декартовых координат в угловые
Блок преобразователей декартовых координат в угловые производит преобразование шести векторных выходов 
блока маневрирования в шесть векторных входов 
исполнительных следящих систем. Указанные переменные связаны между собой следующим образом:
(8)
где 
– длины звеньев конечностей аппарата. Соотношения (8) задают вектор 
в функции вектора 
, в то время как требуется реализовать обратную зависимость. Она может быть записана в явном виде, однако ее реализация сложна. Использование метода неявных функций [3] позволяет свести решение системы (8) к решению эквивалентной системы дифференциальных уравнений. В результате, используя известные преобразования [4], можно получить следующие соотношения:
(9)
где 
– выходы блока маневрирования; – выходы блока преобразователей координат, поступающие на входы блока исполнительных следящих систем.
Основные результаты работы
- Разработаны эффективные алгоритмы управления движением шагающего аппарата “Катарина”.
- Для проверки работоспособности найденных алгоритмов разработано программное обеспечение с использованием пакета прикладных программ Matlab 5.2.
- Проведено моделирование движения шагающего аппарата и экспериментальные исследования синтезированных алгоритмов.
- Проведен анализ результатов, полученных при экспериментальных исследованиях с целью подтверждения работоспособности синтезированных алгоритмов управления.
Перечень библиографических ссылок
- Исследование робототехнических систем. – Под ред. И.М. Макарова. – М.:Наука,1982, с.118-125.
- Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата – М.: Наука, 1984, с. 271-283.
- Левин Л. Методы решения технических задач с использованием аналоговых вычислительных машин. М.: Мир, 1976. 415 с.
- Вукобратович М. - Шагающие роботы и антропоморфные механизмы - М.: Мир, 1989 - 541с.
- Авотин Е.Б., Болховитинов И.С., Шнак Ф.П. -Динамика планетоходов - М.: Наука, 1979 - 364 с.
[ Главная страница ] [
Библиотека ] [
Ссылки ] [
Результаты поиска ]