Проведены предварительные испытания большой электромеханической ноги шагающего аппарата ВНИИ "Трансмаш" весом 700 кг

 

Информационный бюллетень РФФИ, 4 (1996)
МАТЕМАТИКА, ИНФОРМАТИКА, МЕХАНИКА
ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ ПО СЛОЖНОЙ МЕСТНОСТИ 
Девянин Е.А., Охоцимский Д.Е., Боровин Г.К., Буданов В.М., Лапшин В.В., Ленский А.В., Платонов А.К.
НИИ механики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (МГУ ИМех)
119899, г. Москва, Мичуринский пр-т, 1 Тел.: (095)9393121 Факс: 9390165

В отчетный период на базе исследований шагающих машин 1996 г. получены следующие важнейшие результаты: 1. Подготовлен комплексный лабораторный эксперимент, в котором используются лабораторный макет шагающего аппарата, система технического зрения, на базе видеокамеры WAT-202B и платы Matrox Millenium, используемой для ввода видеосигнала в PC Pentium, алгоритмы обработки видеоинформации, интерфейс с оператором, алгоритмы формирования сигналов управления приводами, плата ЦАП, усилители мощности, лабораторный испытательный стенд. 2. Проведены предварительные испытания большой электромеханической ноги шагающего аппарата ВНИИ "Трансмаш" весом 700 кг. Установлено, что созданный лабораторией управляющий комплекс может быть использован для работы с этим шагающим аппаратом и обеспечить проведение его комплексных испытаний в Институте механики МГУ. В настоящее время идет подготовака к передаче аппарата в лабораторию для проведения этих испытаний. 3. Разработан и изготовлен управляющий контроллер на базе микропроцессора Intel 16, который может заменить Notebook, ранее использовавшийся в качестве бортового компьютера колесных роботов. 4. Разработана математическая модель колесного робота, позволяющая исследовать его движение при различных предположениях о взаимодействии колес с грунтом, что необходимо для выяснения природы наблюдавшегося в экспериментах проскальзывания колес. С помощью этой модели исследована устойчивость движения робота при постоянных управлениях, при движении по трассе и в направлении на маяк. 5. В связи с работами по проекту (рег. N 329), финансируемуму в рамках ФЦП Интеграция для проведения соревнований мобильных роботов разработан регламент соревнований, предварительный проект соревновательного полигона и его оборудования, предварительные проекты роботов-участников и требования к ним. The following main results were obtained during the period under review: 1. Experimental complex, that include the laboratory scale of the walking machine, personal computer "Pentium", which are connected by special card (Matrox Millenium), vision systems (color video-camera WAT-202B), algoritmhmes the program software prepared. 2. The results of preliminary experimental works with big leg of walking machine (weigh 700 kg), created in "Transmasch", demonstrates that these control systems are suitable for further investigations. 3. The controller, based onself microprocessor "Intel 16", for the control systems of mobile wheeled robot created. 4. The mathematics model of mobile wheeled robot was developed. The stability of mobile wheeled robot motion investigated. 5. In connection with the work done in "Programm Integration..." (reg N 329), the conditions and rules on competitiones of mobile robots in the frame of the Russian Festival "Mobile robots 99" was developed.

Объявленные ранее цели проекта: Исследуется проблема организации движения по сложной местности для роботов двух типов - шагающие и колесные. Обзорно-информационная система для этой цели строится на основе телевизионных и дальнометрических средств. Если местность можно характеризовать лишь ее геометрией то этих средств достаточно. Если важны и физические свойства местности, необходимо участие человека-оператора, корректирующего и дополняющего аппаратурную информацию. Для построения движения робота информация обрабатывается с учетом возможностей машины и строится траектория корпуса над приемлемыми зонами местности с обходом непреодолимых учасков. Для колесного робота задача решается в масштабах корпуса, для шагающего необходимо выбирать точки постановки ног и решать задачу также и в масштабах шага и стопы для построения движения ног. Создается обзорно-информационная система, алгоритмы обработки информации, интерфейс с оператором, алгоритмы взаимодействия с системами управления нижнего уровня. Используются аналитические методы, методы математического моделирования, лабораторные эксперименты с макетами роботов. Степень выполнения поставленных задач: Поставленные на 1997 г. задачи выполнены. Полученные важнейшие результаты: В 1996 г. в процессе разработки системы управления шагающим роботом, перемещающимся по сложной местности, были получены следующие результаты: Найдены принципы получения информации о сложной местности для выбора траектории движения корпуса шагающего аппарата и точек постановки его ног на базе двух различных систем технического зрения: триангуляционного дальномера, состоящего из управляемого лазерного осветителя и линейной ПЗС-камеры и лазерного осветителя и видеокамеры. Предложены алгоритмы обработки сигналов видеокамеры, позволяющие выполнять юстировку систем и осуществлять "привязку" аппарата к местности по результатам наблюдения за характерными точками на местности и корпусе машины. Созданы лабораторные исследовательские макеты этих систем, выполнены предварительные экспериментальные исследования необходимые для оценки работоспособности выбранных решений. Разработаны алгоритмы планирования движений корпуса и ног шагающего аппарата в случае известной карты местности. Работоспрособность алгоритмов подтверждена результатами моделирования движения шагающей машины по лестнице и непрерывной случайной поверхности. В отчетный период на базе исследований шагающих машин 1996 г. получены следующие важнейшие результаты: 1. Подготовлен комплексный лабораторный эксперимент, в котором используются лабораторный макет шагающего аппарата, система технического зрения, на базе видеокамеры WAT-202B и платы Matrox Millenium, используемой для ввода видеосигнала в PC Pentium, алгоритмы обработки видеоинформации, интерфейс с оператором, алгоритмы формирования сигналов управления приводами, плата ЦАП, усилители мощности, лабораторный испытательный стенд. 2. Проведены предварительные испытания большой электромеханической ноги шагающего аппарата ВНИИ "Трансмаш" весом 700 кг. Установлено, что созданный лабораторией управляющий комплекс может быть использован для работы с этим шагающим аппаратом и обеспечить проведение его комплексных испытаний в Институте механики МГУ. В настоящее время идет подготовака к передаче аппарата в лабораторию для проведения этих испытаний. В 1996 г. был создан быстрый (2 м/сек) многофункциональный колесный робот, c которым команда МГУ успешно выступила в соревнованиях мобильных роботов на Международном фестивале "Наук и технологий" (Франция, Ла-Ферте-Бернар), получив все призы в своем классе. Его система управления была реализована на базе Notebook Pentium 120. 3. В отчетном году разработан и изготовлен управляющий контроллер на базе микропроцессора Intel 16, который может заменить Notebook. Этот контроллер испытан в качестве управляющего компьютера двухколесного робота, созданного коллективом руководимым проф. А.М. Формальским (грант РФФИ N 96-01-01443). 4. Разработана математическая модель колесного робота, позволяющая исследовать его движение при различных предположениях о взаимодействии колес с грунтом, что необходимо для выяснения природы наблюдавшегося в экспериментах проскальзывания колес. С помощью этой модели исследована устойчивость движения робота при постоянных управлениях, при движении по трассе и в направлении на маяк. Коллектив участвует в работах по проекту "Разработка принципов построения современных мехатронных систем в области высоких технологий и организация научно-технических фестивалей-олимпиад молодежи России и других республик СНГ" (рег. N 329), финансируемого в рамках Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы" (ФЦП Интеграция). В планах работ по этому проекту предусмотрено проведение соревнований мобильных роботов. 5. В 1997 г. разработан регламент этих соревнований, предварительный проект соревновательного полигона и его оборудования, предварительные проекты роботов-участников и требования к ним. Степень новизны полученных результатов: Полученные результаты являются новыми. Сопоставление с мировым уровнем: В настоящее время ряд зарубежных научных коллективов и промышленных фирм ведут исследования и разработки с целью создания шагающих роботов. Наиболее продвинуты работы ученых США и Японии. В марте 1997 г. лабораторию посетила делегация японских ученых из Port and Harbour Research Institute, где разработаны, построены и испытаны в море шагающие аппараты для работы под водой. В реализации машин они продвинулись значительно дальше чем мы благодаря весьма щедрому финансированию этих работ. В то же время, они совместно с США только еще разрабатывают алгоритмы управления координироваными движениями ног робота, что мы давно реализовали на своем лабораторном комплексе. В декабре 1997 г. нами получен видеоматериал об исследованиях, проводимых в MIT, одном из ведущих коллективов США в области разработки подвижных роботов. Коллеги хорошо знают наши работы и просят прислать им видеоматериал о наших экспериментальных исследованиях. B 1996 году начата совместная работа с лабораторией робототехники (LRP) университета им. Пьера и Марии Кюри (Париж), целью которой является создание на базе наших разработок микропроцессорной системы управления нижним уровнем шагающего робота. Старший научный сотрудник лаборатории В.М. Буданов приглашен коллегами из Франции для этих работ на три месяца и в настоящее время находится в LRP. Использованные методы и подходы: Работа организована как комплексное исследование, в котором применяются аналитические методы, компьютерное моделирование и эксперимент. По-видимому, именно комплексный подход к проблеме определяет имеющиеся успехи.

ПУБЛИКАЦИИ

1.	The Interpolation Method for Range-Lightmetric Visual System. Platonov A.K. Artificial Intelligence and Information-Control Systems of Robots 97 (AIICSR`97) (1997) 13-24
2.	Model Problem of a Walking Machine Emergency Stop. Лапшин Владимир Владимирович Fifth symposium on robot control SYROCO'97 3 (1997) 807-812
		Рассмотрена задача экстренного торможения шагающей машины в модельной постановке. Исследовано плоское движение машины с невесомыми ногами, у которой вся масса сосредоточена в центре масс, при экстренной остановке, в том числе, с учетом проскальзывания ног по опорной поверхности. Рассмотрен также специальный алгоритм остановки, аналогичный вставанию на дыбы у лошади, с использованием импульсных управлений. Показано, что такой алгоритм менее эффективен, чем экстренное торможение.
3.	Математическая модель мобильного робота. Девянин Евгений Андреевич. Препринт Института механики МГУ (1998) 1-32
		В данном препринте излагаются результаты работы по созданию математической модли колесного мобильного робота, движущегося по ровному горизонтальному полигону. Сначала строится простейшая кинематическая модель, затем полная динамическая. Рассматриваются различные задачи управления роботом: движение при постоянных управлениях, движение по сигналам маяков, движение по заданной трассе. Для каждой из этих задач исследуется в линейном приближении устойчивость движения.
4.	1.Об исследовании эффективности алгоритмов выбора пути в условиях неопределенности. 2.Атлас особых ситуаций и атлас "неустойчивого доминирования" Кирильченко Александр Александрович Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша 44 (1997) 1-27
		Приведены результаты исследований алгоритмов выбора пути в условиях неопределенности. Даются классификации алгоритмов выбора пути и структур препятствий. Представлены атласы особых ситуаций и "неустойчивого доминирования" для алгоритмов выбора пути в условиях неопределенности (постановка 2D). Особая ситуация служит иллюстрацией некоторого типа качественного поведения движущейся точки в случае малой вариации некоторых параметров задачи (например, исходной и целевой точек). "Неустойчивое доминирование" характеризуется тем, что функция доминирования одного алгоритма над другим меняет знак при малых вариациях параметров задачи.
5.	Управление движением шестиногой шагающей машины. Буданов Владимир Михайлович Препринт Института механики МГУ 22 (1997) 1-49
		В данном препринте излагаются результаты работы по созданию системы управления движением шагающей машины на базе персонального компьютера. Разработан алгоритмический аппарат, основанный на применении параметров Родрига-Гамильтона, сочетающий возможности управления как в относительных, так и в абсолютных координатах. Значительная часть работы посвящена вопросу планирования движения шагающей машины по сложной местности. В работе кратко описан модернизированный экспериментальный комплекс, содержащий лабораторный макет шагающей машины, персональный компьютер и аппаратуру связи между ними. На основе разработанных алгоритмов создано программное обеспечение, позволяющее моделировать движение аппарата на экране монитора и управлять шагающей машиной в реальном времени. Созданная система, как в аппаратурной части, так и в программной, является базой для разработки новых алгоритмов управления и решения конкретных задач.
6.	Оптимальное проектирование гидросистем энергопитания приводов промышленных роботов. Боровин Г.К. Попов Д.Н. Математическое моделирование 9(9) (1997) 43-53
		Рассмотрена многокритериальная задача оптимального проектирования гидросистем энергопитания приводов промышленных роботов с нерегулируемыми и регулируемыми насосами. Описаны математические модели трех гидросистем с нерегулируемыми насосами и одной гидросистемы с регулируемым по давлению аксиально-поршневым насосом. Приведены результаты многокритериальной оптимизации.
7.	Development of System for Rehabilitation of Joints of Lower Extremity. Охоцимский Д.Е. Платонов А.К., Илиева-Митуцева Л.Ц., Латковский В.В., Витков В.И. Preprint Keldysh Institute of Applied Mathematics 88 (1997)
		Излагаются результаты работы, проводившейся в Институте механики БАН и Институте прикладной математики РАН в соответствии с планом, в рамках соглашения между БАН и РАН. Разработана методика применения прибора "Artokinetik G", созданного в ИМ БАН. Эффективность прибора и методики подтверждены клинической практикой. Описаны некоторые модификации прибора и указаны пути его развития и совершенствования, а также расширения области его применения.
8.	Research on Spatial Gears and Applications Охоцимский Д.Е. Платонов А.К., Абаджиев В.И. Preprint Keldysh Institute of Applied Mathematics 89 (1997)
		Излагаются результаты работы, проводившейся в Институте механики БАН и Институте прикладной математики РАН в соответствии с планом, в рамках соглашения между БАН и РАН. Рассматривается проблема создания редукторов с высоким КПД и большими передаточными числами. Такие редукторы имеют большое значение для робототехнических и биомеханических систем, использующих электромеханические приводы. излагается разработанная в ИМ БАН оригинальная теория спироидных передач. Приведенные математические модели зубчатых зацеплений подобного класса обеспечивают возможность синтеза редуктора с требуемыми парметрами, с учетом технологических возможностей его изготовления.
9.	Motion Control for the Six-Legged Walking Machine. Буданов Владимир Михайлович Девянин Евгений Андреевич Euromech-Colloquium 375 on March 23-25, 1998 in Munich. (1998)
		В докладе излагаются результаты работы по созданию системы управления движением шагающей машины на базе персонального компьютера. Приводятся алгоритмы управления и результаты экспериментов, выполненных на лабораторном комплексе, содержащем макет шагающей машины, персональный компьютер и аппаратуру связи между ними. Cозданная система, как в аппаратурной части, так и в программной, является базой для разработки новых алгоритмов управления и решения конкретных задач.