Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
- 3. Анализ существующих роботизированных систем
- 3.1 Системы передвижения
- 3.2 Подсистемы робота
- 3.3 Методы управления роботом
- Выводы
- Список источников
Введение
Робототехника – это быстро прогрессирующая область, вызывающая большой интерес у инженеров и проектировщиков. На сегодняшний день, роботизированные системы успешно внедряются в опасные для человека сферы. Развитие робототехники также объясняется широким спектром задач, требующих решения.
1. Актуальность темы
С необходимостью повышения производительности, обеспечения достойного качества выпускаемого товара и уменьшения затрат на рабочих начался процесс автоматизации промышленности. Таким образом, роботизированные системы привели производство к новой вехе развития. Сегодня роботы также успешно выполняют бытовые задачи, освобождая от них человека. Если ранее системы были примитивными, направленные на выполнение одной или нескольких задач, то сейчас наблюдается рост сложности роботехнических систем, развитие их универсальности и совершенствование уже существующих.
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Целью магистерской диссертации является создание прототипа мобильного робота на платформе Arduino. Главной задачей данной работы является проведение анализа в области роботизированных систем. Определениях классов, систем и подсистем.
3. Анализ существующих роботизированных систем
В робототехнике два класса наиболее используемых роботов – манипуляционные и мобильные роботы. Такие роботы успешно используются практически во всех сферах жизни человека: промышленности, строительстве, хозяйстве, военном деле. Основными задачами любого робота являются облегчение труда и снижение риска для жизни человека.
Манипуляционный робот содержит две органически связанные части: устройство управления и манипулятор. Устройство управления включает в себя чувствительные (сенсорные) устройства, устройства обработки и хранения информации (вычислительное устройство, накопители информации), устройство управления приводами. Манипулятор с точки зрения механики и теории механизмов – это сложный пространственный управляемый механизм с несколькими степенями свободы, содержащий жесткие и упругие звенья, передачи и приводы. Манипуляционный робот представляет единую динамическую систему. Ввиду ее сложности при исследовании приходится выделять и рассматривать отдельно механизмы, приводы и систему управления [1].
Мобильный робот – это автоматическая машина, оснащенная некоторыми системами передвижения и подсистемами (датчиками), позволяющими роботу ориентироваться в пространстве, определять силы, воздействующие на него в окружающей среде [2].
Для работы над подсистемой прогнозирования целесообразно использовать мобильного робота, в виду его возможностей.
3.1 Системы передвижения
Выбор того или иного способа передвижения робота – это один из важнейших этапов его создания.
Системы передвижения бывают следующими: колесные, гусеничные, шагающие. Колесные системы являются наиболее распространенными, так как обеспечивают достаточную проходимость робота. В зависимости от количества колес меняется степень сцепления робота с поверхностью. Существуют одноколесные роботы (шаробот [3]), двухколесные (сегвеи [4]) и усложненные конструкции с шестиколесной основой. Еще большее сцепление обеспечивают гусеничные системы. Ими оснащаются современные роботы для быстрого перемещения по грубым поверхностям. Затруднение вызывает перемещение по гладким покрытиям. Примером такого робота может быть робот, разработанный НАСА «Urbie» [5]. Менее распространенным является шагающая система. Разработка такого робота – это сложная задача динамики. Уже создано некоторое количество двуногих роботов [6], способных перемещаться как по гладкому полу, так и по лестнице, но все еще остро стоит проблема балансировки передвижения.
Существует ряд технологий, позволяющих перемещаться шагающим роботам:
- Сервопривод + гидромеханический привод — ранняя технология конструирования шагающих роботов, реализованная в ряде моделей экспериментальных роботов изготовленных компанией General Electric в 1960-е г.
- ZMP-технология: ZMP (англ.) (англ. Zero Moment Point, «точка нулевого момента») — алгоритм, использующийся в роботах, подобных ASIMO компании Хонда. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. [7]
- Прыгающие роботы: в 1980-х годах профессором Марком Рейбертом из Массачусетского технологического института был разработан робот, способный сохранять равновесие посредством прыжков, используя только одну ногу. Движения робота напоминают движения человека на тренажёре пого-стик [8]. Впоследствии алгоритм был расширен на механизмы, использующие две и четыре ноги. Роботы, перемещающиеся на четырёх конечностях, продемонстрировали бег, перемещение рысью, аллюром, скачками [8].
- Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчете отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.
Другими системами являются ползающие и летающие, копирующие перемещение животных. Ползающие системы успешно используются для передвижения роботов под водой подобно тому, как это делают змеи [8].
Создаваемая модель мобильного робота будет иметь трехколесную основу для перемещения.
3.2 Подсистемы робота
Подсистемы – это некоторые датчики, которыми оснащается мобильный робот для получения полной информации об окружающей среде и чтобы обеспечить безопасное перемещение машины. Датчики классифицируются по назначению.
3.2.1 Датчики. Первая группа
Системы определяющие положение робота в пространстве, его ориентацию, позу, параметры движения, усилия в исполнительной системе робота, силы взаимодействия со внешними объектами.
Назначение данной группы: получение информации для управления движением и силовым взаимодействием робота с внешней средой.
- Датчики перемещения (абсолютные и относительные): угол между звеньями манипулятора, угол поворота колес.
- Датчики скорости: скорость вращения колес.
- Гироскопы: угловые скорости.
- Акселерометры: ускорение.
3.2.2 Датчики. Вторая группа
Системы определяющие отдельные физико-химические свойства внешней среды.
Назначение данной группы: получение информации о внешней среде, простота обработки и однозначность интерпретации.
- Датчики положения: наличие или отсутствие объекта (контактные, бесконтактные). Бесконтактные часто основаны на основе оптической паре: светодиод и фототранзистор.
- Дальномеры: сонары, лазерные дальномеры.
- Звуковые датчики.
- Датчики света и освещенности.
Температура, влажность, сопротивление и т.п.
3.2.3 Датчики. Третья группа
Системы, дающие общую картину окружающей среды.
Назначение данной группы: получение наиболее полного объема информации о внешней среде, сложности с обработкой и интерпретацией.
- Видеокамеры.
- Пространственные сканеры (лазерный дальномер, сканирующий некоторый растр).
- Тепловизоры.
- «Искусственная кожа»
Исходя из обзора было определено, что мобильный робот будет использовать в качестве подсистемы ультразвуковые датчики.
3.3 Методы управления роботом
3.3.1 Биотехнические
Управление роботом – организация действий роботизированной системы относительно установленных задач с учетом систем, подсистем и программного обеспечения.
Классифицируются методы управления по типу следующим образом.
Биотехнические системы управления. Категория, в которой манипулятор робота в точности копирует движение руки оператора. Удобство заключается в том, что человек-оператор может находиться на достаточно большом расстоянии от зоны выполнения работ, где ему может угрожать как опасность различных уровней (низких, средних, высоких).
- командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);
- копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);
- полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота) [9].
3.3.2 Автоматические
Автоматические системы управления (СУ). Это те СУ, которые способны работать без участия человека. Главным преимуществом автоматических систем является то, что при цикличной, постоянной работе они имеют более высокие показатели скорости работы, в отличие от систем, управляемых оператором.
- программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);
- адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);
- интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы) [9].
3.3.3 Интерактивные
Интерактивные методы управления. Это «гибридные» СУ, которые большую часть времени работают как автоматические СУ, но при необходимости могут быть мгновенно переключены на управление человеком, или человек и автоматика работают поочередно. Отличительной чертой таких систем является то, что оператор может подавать команды голосом, текстом. В таких системах робот может выполнять работу поэтапно: робот не перейдет к следующему этапу, пока не получит команду-разрешения от оператора.
- автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);
- супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);
- диалоговые (робот участвует в диалоге с человеком по выбору стратегии поведения, при этом как правило робот оснащается экспертной системой, способной прогнозировать результаты манипуляций и дающей советы по выбору цели).
Среди основных задач управления роботами выделяют такие
- планирование положений;
- планирование движений;
- планирование сил и моментов;
- анализ динамической точности;
- идентификация кинематических и динамических характеристик робота [9].
Выводы
Были определены основные классы роботов, приведены существующие решения по каждому классу. Изучены важнейшие системы, подсистемы роботизированных машин. Исходя из данного анализа в дальнейшем будут проведены работы по описанию основных компонентов мобильного робота, математического аппарата и в результате рабочий прототип.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Воробьев Е. И. Механика промышленных роботов. Кинематика и динамика. Книга 1/ Е. И. Воробьев, С. А. Попов, Г. И. Шевелева. – М.: Высш. шк. , 1988. – 304 с.: ил. – с. 5-6.
- Omnidirectional mobile robot [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://phys.org/news ...
- Компания Segway USA [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://segway-usa.ru/segway-history.php
- NASA’s robot Urbie [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nasa.gov/ ...
- ASIMO Honda [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://asimo.honda.com/
- Голубев Ю. Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. — М.: Наука, 1984. — 310 с.
- Робототехника [Электронный ресурс] : Материал из Википедии — свободной энциклопедии : Версия 74758269, сохранённая в 12:24 UTC 26 ноября 2015 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. — Электрон. дан. — Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2015. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org ...
- Робототехника [Электронный ресурс] : Материал из Википедии — свободной энциклопедии : Версия 74758269, сохранённая в 12:24 UTC 26 ноября 2015 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. — Электрон. дан. — Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2015. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org ...
- Орлов И.А. Синтез движения манипуляционных систем для пространств со сложными связями и ограничениями: дис. к. физ-мат. н. Москва, 2013