Алгоритм определения внутренней геометрии манипулятора змеевидного типа при движении лидирующего звена по наращиваемой траектории
Ключевые слова:
змеевидный робот, манипуляторы змеевидного типа, гиперизбыточный манипулятор, угловые шарнирные координаты, траектория движенияАннотация
Сформулированы инвариантная к системе внешних координат форма задания геометрии пространственного кинематически избыточного манипулятора с последовательно ортогональными некомпланарными осями шарниров вращения. Получены аналитические выражения для определения угловых шарнирных координат из условий принадлежности точек шарниров параметрически заданной гладкой кривой, уравнение для координат положения точек на кривой и неравенства-ограничения на взаимное положение смежных звеньев манипулятора. Предложен алгоритм решения уравнения и метод планирования законов изменения шарнирных координат, обеспечивающий перемещения точек шарниров по пространственной траектории, наращиваемой добавлением целевых точек для головного звена манипулятора. Метод применен для планирования движения гиперизбыточного манипулятора с неподвижным основанием и змеевидного робота при перемещении по траектории, выстраиваемой на основе текущих и прогнозируемых положений шарниров в декартовом пространствеЛитература
1. Hirose S. Biologically Inspired Robots: Snake-Like Locomotors and Manipulators // Oxford University Press. 1993. pp. 1–125.
2. Umetani Y., Hirose S. Biomechanical Study of Serpentine Locomotion // Proc.1st RoManSy Symp. '73. 1974. pp. 171–184.
3. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Snake Robots Modelling, Mechatronics, and Control // Springer-Verlag London. 2013. 317 p.
4. Walker I.D., Choset H., Chirikjian G.S. Snake-Like and Continuum Robots // Springer Handbook of Robotics 2nd Edition. Springer. 2016. pp. 481–498.
5. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. A Review on Modelling, Implementation, and Control of Snake Robots // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 1. pp. 29–40.
6. Shao L., Guo B., Wang Y., Chen X. An overview on theory and implementation of snake-like robots // Proceedings of IEEE International Conference Mechatronics and Automation (ICMA). 2015. pp. 70–75.
7. Иванов А.А., Носов В.Н. Кинематика качения змеевидного бесколёсного робота // МАУ. 2002. № 6. С. 16–21.
8. Иванов А.А. Метод планирования формы гиперизбыточного манипулятора с ограниченным диапазоном изменения шарнирных координат // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып. 6 (163). С.112–118.
9. Иванов А.А., Демидов Д.А., Шмаков О.А. Мобильные змеевидные роботы: теория и практика // Известия вузов. Машиностроение. «Специальная робототехника и мехатроника». Специальный выпуск. 2011. С.32–41.
10. Иванов А.А., Шмаков О.А., Демидов Д.А. Змеевидный робот ЗМЕЕЛОК-3 и экспериментальное исследование его локомоций // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып.1(164). С. 132–138.
11. Иванов А.А. и др. Модульный гиперизбыточный манипулятор: архитектура, алгоритмы управления, реализация // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. №2 (3). С. 55–60.
12. Siciliano B., Khatib O. Springer Handbook of Robotics // Springer. 2008. 1611 p.
13. Roa D., Melo K. Mechanical Stability Margin for Scouting Poses in Modular Snake Robots // Proceedings of IEEE International Symposium on Safety, Security and Rescue Robotics. 2016. pp. 182–188.
14. Melo K. Modular Snake Robot Velocity for Side-Winding Gaits // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2015. pp. 3716–3722.
15. Nor N.M., Ma S. CPG-based Locomotion Control of a Snake-like Robot for Obstacle Avoidance // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation. 2014. pp. 347–352.
16. Gray J. The mechanism of locomotion in snakes // Journal of Experimental Biology. 1946. vol. 23. no. 2. pp. 101–120.
17. Иванов А.А. Анализ конструктивных компоновок двухстепенного мехатронного модуля для змеевидного робота // Экстремальная робототехника. Сборник докладов международной научно-технической конференции. 2011. С.104–110.
18. Wright C. et al. Design of a modular snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference Intelligent Robots and Systems. 2007. pp. 2609–2614.
19. Wright C. et al. Design and Architecture of the Unified Modular Snake Robot // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2012. pp.4347–4354.
20. Rollinson D., Ford S., Brown B., Choset H. Design and Modeling of a Series Elastic Element for Snake Robots // Proceedings of ASME Dynamic Systems and Control Conference (DSCC). 2013. pp.V001T08A002–V001T08A002.
21. Boyle J.H., Johnson S., Dehghani-Sanij A.A. Adaptive Undulatory Locomotion of a C. elegans Inspired Robot // TMECH. 2013. pp. 439–448.
22. Rollinson D. et al. Design and architecture of a series elastic snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ international conference Intelligent Robots and Systems (IROS 2014). 2014. pp. 4630–4636.
23. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Mamba - A Waterproof Snake Robot with Tactile Sensing // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2014. pp. 294–301.
24. Жилин П.А. Теоретическая механика. Фундаментальные законы механики: учеб. Пособие // СПб.: Изд-во СПбГПУ. 2003. 340 с.
25. Andersson S.B. Discretization of a continuous curve // IEEE Transaction on robotics. 2008. vol. 24. no. 2. pp. 456–461.
26. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / Пер. с англ. // Москва: Мир. 1989. 624 с.
27. Zinkovsky A.V., Sholuha V.A., Ivanov A.A. Mathematical Modelling and Computer Simulation of Biomechanical Systems // World Scientific Publishing. 1997. 216 p.
28. Иванов А.А., Шолуха В.А. Модели опорно-двигательного аппарата человека и животных // В кн.: Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике: учебное пособие. Изд-во Политехн. ун-та. 2004. С.119–154.
29. Кулаков Ф.М., Новаченко С.И., Павлов В.А. Динамическая модель робота // В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л.: ЛПИ. 1974. С.123–126.
30. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами / Учебник для вузов. – 2-е изд., исправ. и доп. // Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2004. 480 с.
31. Revzen S., Bhoite M., Macasieb A., Yim M. Structure synthesis on-the-fly in a modular robot // Proceedings of IEEE International conference Intelligent Robots and Systems (IROS) 2011. pp. 4797–4802.
32. Torres L.G., Alterovitz R. Motion planning for concentric tube robots using mechanics-based models // Proceedings of IEEE/RSJ International conference Intelligent Robots and Systems (IROS). 2011. pp. 5153–5159.
33. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø. Gravdahl J.T. Experimental investigation of obstacleaided locomotion with a snake robot // Proceedings of IEEE Transactions on Robotics. 2011. vol. 99. pp. 1–8.
34. Sato T., Kano K., Ishiguro A. A decentralized control scheme for an effective coordination of phasic and tonic control in a snake-like robot // Bioinspiration & biomimetics. 2011. vol. 7. no. 1. pp. 016005.
35. Johnson A. et al. A Novel Architecture for Modular Snake Robots // Technical Report CMU-RI-TR-11-29. Carnegie Mellon Univ. 2011.
2. Umetani Y., Hirose S. Biomechanical Study of Serpentine Locomotion // Proc.1st RoManSy Symp. '73. 1974. pp. 171–184.
3. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Snake Robots Modelling, Mechatronics, and Control // Springer-Verlag London. 2013. 317 p.
4. Walker I.D., Choset H., Chirikjian G.S. Snake-Like and Continuum Robots // Springer Handbook of Robotics 2nd Edition. Springer. 2016. pp. 481–498.
5. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. A Review on Modelling, Implementation, and Control of Snake Robots // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 1. pp. 29–40.
6. Shao L., Guo B., Wang Y., Chen X. An overview on theory and implementation of snake-like robots // Proceedings of IEEE International Conference Mechatronics and Automation (ICMA). 2015. pp. 70–75.
7. Иванов А.А., Носов В.Н. Кинематика качения змеевидного бесколёсного робота // МАУ. 2002. № 6. С. 16–21.
8. Иванов А.А. Метод планирования формы гиперизбыточного манипулятора с ограниченным диапазоном изменения шарнирных координат // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып. 6 (163). С.112–118.
9. Иванов А.А., Демидов Д.А., Шмаков О.А. Мобильные змеевидные роботы: теория и практика // Известия вузов. Машиностроение. «Специальная робототехника и мехатроника». Специальный выпуск. 2011. С.32–41.
10. Иванов А.А., Шмаков О.А., Демидов Д.А. Змеевидный робот ЗМЕЕЛОК-3 и экспериментальное исследование его локомоций // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып.1(164). С. 132–138.
11. Иванов А.А. и др. Модульный гиперизбыточный манипулятор: архитектура, алгоритмы управления, реализация // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. №2 (3). С. 55–60.
12. Siciliano B., Khatib O. Springer Handbook of Robotics // Springer. 2008. 1611 p.
13. Roa D., Melo K. Mechanical Stability Margin for Scouting Poses in Modular Snake Robots // Proceedings of IEEE International Symposium on Safety, Security and Rescue Robotics. 2016. pp. 182–188.
14. Melo K. Modular Snake Robot Velocity for Side-Winding Gaits // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2015. pp. 3716–3722.
15. Nor N.M., Ma S. CPG-based Locomotion Control of a Snake-like Robot for Obstacle Avoidance // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation. 2014. pp. 347–352.
16. Gray J. The mechanism of locomotion in snakes // Journal of Experimental Biology. 1946. vol. 23. no. 2. pp. 101–120.
17. Иванов А.А. Анализ конструктивных компоновок двухстепенного мехатронного модуля для змеевидного робота // Экстремальная робототехника. Сборник докладов международной научно-технической конференции. 2011. С.104–110.
18. Wright C. et al. Design of a modular snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference Intelligent Robots and Systems. 2007. pp. 2609–2614.
19. Wright C. et al. Design and Architecture of the Unified Modular Snake Robot // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2012. pp.4347–4354.
20. Rollinson D., Ford S., Brown B., Choset H. Design and Modeling of a Series Elastic Element for Snake Robots // Proceedings of ASME Dynamic Systems and Control Conference (DSCC). 2013. pp.V001T08A002–V001T08A002.
21. Boyle J.H., Johnson S., Dehghani-Sanij A.A. Adaptive Undulatory Locomotion of a C. elegans Inspired Robot // TMECH. 2013. pp. 439–448.
22. Rollinson D. et al. Design and architecture of a series elastic snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ international conference Intelligent Robots and Systems (IROS 2014). 2014. pp. 4630–4636.
23. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Mamba - A Waterproof Snake Robot with Tactile Sensing // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2014. pp. 294–301.
24. Жилин П.А. Теоретическая механика. Фундаментальные законы механики: учеб. Пособие // СПб.: Изд-во СПбГПУ. 2003. 340 с.
25. Andersson S.B. Discretization of a continuous curve // IEEE Transaction on robotics. 2008. vol. 24. no. 2. pp. 456–461.
26. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / Пер. с англ. // Москва: Мир. 1989. 624 с.
27. Zinkovsky A.V., Sholuha V.A., Ivanov A.A. Mathematical Modelling and Computer Simulation of Biomechanical Systems // World Scientific Publishing. 1997. 216 p.
28. Иванов А.А., Шолуха В.А. Модели опорно-двигательного аппарата человека и животных // В кн.: Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике: учебное пособие. Изд-во Политехн. ун-та. 2004. С.119–154.
29. Кулаков Ф.М., Новаченко С.И., Павлов В.А. Динамическая модель робота // В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л.: ЛПИ. 1974. С.123–126.
30. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами / Учебник для вузов. – 2-е изд., исправ. и доп. // Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2004. 480 с.
31. Revzen S., Bhoite M., Macasieb A., Yim M. Structure synthesis on-the-fly in a modular robot // Proceedings of IEEE International conference Intelligent Robots and Systems (IROS) 2011. pp. 4797–4802.
32. Torres L.G., Alterovitz R. Motion planning for concentric tube robots using mechanics-based models // Proceedings of IEEE/RSJ International conference Intelligent Robots and Systems (IROS). 2011. pp. 5153–5159.
33. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø. Gravdahl J.T. Experimental investigation of obstacleaided locomotion with a snake robot // Proceedings of IEEE Transactions on Robotics. 2011. vol. 99. pp. 1–8.
34. Sato T., Kano K., Ishiguro A. A decentralized control scheme for an effective coordination of phasic and tonic control in a snake-like robot // Bioinspiration & biomimetics. 2011. vol. 7. no. 1. pp. 016005.
35. Johnson A. et al. A Novel Architecture for Modular Snake Robots // Technical Report CMU-RI-TR-11-29. Carnegie Mellon Univ. 2011.
Опубликован
2016-12-15
Как цитировать
Иванов, А. А., & Шмаков, О. А. (2016). Алгоритм определения внутренней геометрии манипулятора змеевидного типа при движении лидирующего звена по наращиваемой траектории. Труды СПИИРАН, 6(49), 190-207. https://doi.org/10.15622/sp.49.10
Раздел
Алгоритмы и программные средства
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
