Управление манипулятором подводного робота
Ключевые слова:
подводный исследовательский аппарат, антропоморфный манипулятор, нелинейная система, метод конечного состояния, терминальное управление, кинематическая модель Денавита-Хартенберга, динамическая модель манипулятораАннотация
Рассматривается задача приведения конечного эффектора (центра схвата) антропоморфного манипулятора подводного аппарата в заданное положение за заданное время с помощью метода конечного состояния. На основе полученной кинематической модели антропоморфного манипулятора, построенной на основе подхода Денавита – Хартенберга (DH-модель), сформулирована динамическая модель, учитывающая динамику приводов сочленений. DH-модель использована в терминальном нелинейном критерии, отображающем близость ориентации и положения эффектора к заданным значениям. Динамическая модель приспособлена для эффективного применения авторского метода конечного состояния (МКС) и представляет собой систему дифференциальных уравнений для углов поворота звеньев манипулятора вокруг продольных и поперечных осей, правые части которой содержат только искомые МКС-управления. Такая модель позволила существенно упростить расчет управлений за счет упразднения численного решения дифференциальных уравнений специального вида, необходимых в случае использования в МКС нелинейных динамических моделей общего вида. Найденные МКС-управления далее использованы в выражениях для управляющих воздействий на электроприводы сочленений, полученных на основе динамических моделей электроприводов. Предполагается, что неизвестные параметры приводов, как функции углов поворота звеньев и других неизвестных факторов, могут быть определены экспериментально. Такая двухэтапная процедура позволила получить управление приводами в форме алгебраических и трансцендентных выражений. Наконец, представлены результаты моделирования процессов приведения конечного эффектора манипулятора в заданные положения на границах рабочей области с помощью разработанного программного обеспечения. Полученная при этом погрешность без учета погрешности измерений составила величины, не превышающие двух сантиметров на максимальном вылете руки длиной 1,2 метра. Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы по разработке роботизированного аппарата, предназначенного для подводных исследовательских работ на малых глубинах (до 10 метров).
Литература
2. Casalino G., Caccia M., Caiti A., Antonelli G., Indiveri G., Melchiorri C., Caselli S. MARIS: A National Project on Marine Robotics for InterventionS, in: Proc. 22nd Mediterranean Conf. on Control and Automation, MED'14, IEEE, 2014, pp. 864 - 869.
3. Lane D.M., Maurelli F., Larkworthy T., Caldwell D., Salvi J., Fox M., Kyriakopoulosy K. PANDORA: Persistent Autonomy through Learning, Adaptation, Observation and Re-planning // IFACPapersOnLine. Vol. 48. Issue 2. 2015. pp. 238–243.
4. Sanz P.J., Ridao P., Oliver G., Casalino G., Petillot Y., Silvestre C., Melchiorri C., Turetta A. TRIDENT An European Project Targeted to Increase the Autonomy Levels for Underwater Intervention Missions // 2013 OCEANS - San Diego, 23-27 Sept. 2013. pp. 1 – 10.
5. Разработка и исследование робототехнического комплекса для выполнения подводно-технических работ в условиях ограниченной видимости с использованием комплексной системы 3D-зрения высокого разрешения / А.А.Кабанов, В.А. Крамарь, Е.А. Шушляпин и др. // Отчет о НИР (г/б №АААА-А18-11812259008). Севастополь, СевГУ, 2018.
6. Kabanov A.A., Balabanov A.N. The modeling of an anthropomorphic robot arm // MATEC Web of Conferences 224, Vol. 224, 2018 (Proceedings of International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2018) Sevastopol, Russia, September 10-14, 2018, 6 pages.
7. FEDOR: Final Experimental Demonstration Object Research. URL: https://dfnc.ru/kosmos/fedor-robot-poletel-v-kosmos/ (Дата обращения 24.02.2020).
8. Подводные манипуляторы. URL: http://www.oceanos.ru/s1/files/File/2017_LFL_manip.pdf (Дата обращения 15.01.2020).
9. Автономный подводный робот-краб. URL: https://ria.ru/science/20180419/1518950715.html (Дата обращения 04.09.2019).
10. Облегченный подводный пятистепенной электроманипулятор. URL: http://www.tetis-pro.ru/news/803/ (Дата обращения 24.01.2020).
11. Подводный робот политехников «Одиссей». URL: https://news.tpu.ru/news/2016/11/. 11/26198/?title=podvodnyy_robot_politehnikov_pozvolit_o&print=1 (Дата обращения 05.09.2019).
12. Vu N.Thi-Thuy, Tran N. P., Nguyen N.H. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System Based Path Planning for Excavator Arm // Hindawi Journal of Robotics, Volume 2018 |Article ID 2571243. 7 pages.
13. Han X., Yin M., Liu X., Yin G. Solution of inverse kinematics and movement trajectory simulation for 6R robot // Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition). vol. 47, no. 6, 2015, pp. 185–190.
14. She M., Tian L. A Novel Path Control Algorithm for Networked Underwater Robot // Hindawi Journal of Robotics. Volume 2018. Article ID 1520981. 7 pages.
15. Ananthanarayanan H., Ordóñez R. Real-time Inverse Kinematics of (2n + 1) DOF hyper-redundant manipulator arm via a combined numerical and analytical approach // Mechanism and Machine Theory. vol. 91. 2015. pp. 209–226.
16. Legowski A. The global inverse kinematics solution in the adept six 300 manipulator with singularities robustness // Proceedings of the 20th International Conference on Control Systems and Computer Science, CSCS 2015. Romania. 2015. pp. 90–97.
17. Mahmoodabadi M. J., Ziaei A. Inverse Dynamics Based Optimal Fuzzy Controller for a Robot Manipulator via Particle Swarm Optimization // Hindawi Journal of Robotics, Volume 2019. Article ID 5052185. 10 pages.
18. Mendili M., Bouani F. Predictive control of mobile robot using kinematic and dynamic models // Journal of Control Science and Engineering. vol. 2017. Article ID 5341381, 11 pages.
19. LIN Y. Solution of Inverse Kinematics for General Robot Manipulators Based on Multiple Population Genetic Algorithm // Journal of Mechanical Engineering, vol. 53. no. 3. 2017. p. 1.
20. Momani S., Abo-Hammour Z.S., Alsmadi O.M.K. Solution of inverse kinematics problem using genetic algorithms // Applied Mathematics & Information Sciences. vol. 10. no. 1. 2016. pp. 225–233.
21. Wang H-J, Fu Y.,Zhao Z-Q, Yue Y-J. An Improved Ant Colony Algorithm of Robot Path Planning for Obstacle Avoidance // Hindawi Journal of Robotics. Volume 2019. Article ID 6097591. 8 pages.
22. Kong H., Li N., Shen Y. Adaptive double chain quantum genetic algorithm for constrained optimization problems // Chinese Journal of Aeronautics. vol. 28. no. 1, 2015. pp. 214–228.
23. Lv X., Zhao M. Application of Improved BQGA in Robot Kinematics Inverse Solution // Hindawi Journal of Robotics. Volume 2019. Article ID 1659180. 7 pages.
24. Zhao M., Dai Y. Application of fuzzy ant colony algorithm to robotics arm inverse kinematics problem // ICIC Express Letters. vol. 10. no. 1. 2016. pp. 43–49.
25. Zhang Y.F., Ma Z.S. A simulated annealing neural network solution to inverse kinematics of EOD manipulator // Computer Measurement & Control. vol. 23. no. 4. 2015. pp. 1269–1272.
26. Шушляпин Е.А., Безуглая А.Е. Управление антропоморфным роботом методом конечного состояния // «Автоматизация и приборостроение: проблемы, решения АППР-2019», г. Севастополь, 09–13 сентября 2019 г. Материалы IV Международной научно-техническая конференции / «Автоматизация и измерения в машиноприборостроении». №3(7). 2019. С.38 – 47.
27. Denavit J., Hartenberg R.S. A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices // Transactions ASME Journal of Applied раMechanics. 23, 1955. pp. 215–221.
28. Шушляпин Е.А. Управление нелинейными системами на основе прогноза конечного состояния неуправляемого движения // Севастополь: СевНТУ, 2012. 282 с.
29. Алексеев В.М. Об одной оценке возмущений обыкновенных дифференциальных уравнений // Вестн. Москов. ун-та. Сер.1. Математика, механика. 1961. №2. С.28 – 36.
30. Шушляпин Е.А. и др. Нелинейные регуляторы для удержания судна на заданной траектории при «сильных» маневрах // Труды СПИИРАН. 2017. Вып. 53. C. 178–200.
31. Shushlyapin E.A., Bezuglaya A.E. Analytical Synthesis of Regulators for Nonlinear Systems with a Terminal State Method on Examples of Motion Control of a Wheeled Robot and a Vessel // Hindawi Journal of Applied Mathematics, vol. 2018 Article ID 4868791, 2018, 13 pages.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Алексей Николаевич Балабанов, Анна Евгеньевна Безуглая, Евгений Андреевич Шушляпин
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
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).