Билатеральное управление космическими роботами при больших задержках в передаче сигнала управления

Введение 3
Глава 1. Билатеральное управление роботами при наличии задержек в передаче сигнала управления 8
1.1 История развития телеробототехники 8
1.2 Система билатерального управления роботами 10
1.3 Схемы управления для билатеральных систем с задержкой .... 13
1.3.1 Схемы, основанные на пассивности 13
1.3.2 Схемы, основанные на прогнозировании 16
1.3.3 Схемы, основанные на скользящем режиме управления . . 19
1.3.4 Перспективы исследований 20
1.4 Дистанционное управление космическим роботом методом
обучения 22
1.5 Постановка задачи 29
Глава 2. Математическое моделирование исполнительной системы 30
2.1 Кинематические схемы 31
2.2 Прямая позиционная задача 33
2.3 Обратная позиционная задача 37
2.4 Прямая задача кинематики о скорости 44
2.5 Прямая задача динамики 52
2.6 Метод адаптации к изменениям рабочей среды 55
Глава 3. Программная реализация 59
3.1 Кинематическое моделирование 59
3.2 Динамическое моделирование 63
Заключение 68

Купить

Активное освоение космического пространства подразумевает использование вспомогательных робототехнических систем. Применение космических роботов способствует повышению точности и надежности выполняемой работы, а также позволяет проводить исследования на больших дистанциях от Земли. Однако, при проведении работ в экстремальных условиях, зачастую приходится иметь дело с плохо упорядоченной и недетерменированной средой, что требует постоянного уточнения данных о среде и корректировки принятых решений. К сожалению, степень автономности современных роботов пока не способна обеспечить выполнение таких трудоемких задач, что не позволяет исключить человека-оператора из контура управления. Более того, при работе в космосе возникают значительные задержки в передаче сигналов управления и обратной связи. В связи с этим, возникает актуальная задача построения системы дистанционного управления космическим роботом, слабо зависящей от задержки в передаче управляющего сигнала.
В качестве способа дистанционного управления роботом чаще всего рассматривают систему «ведущий-ведомый» (master-slave system). В данной системе имеется два кинематически подобных робота, один из которых называется «ведомым», а другой соответственно «ведущим». С «ведущим» роботом непосредственно взаимодействует человек-оператор, задавая ему необходимое положение рабочего инструмента либо необходимую траекторию его движения. «Ведомый» робот повторяет все движения «ведущего» робота, взаимодействуя с предметами рабочей среды.
Значительное внимание исследователей привлекла система дистанционного управления роботом с силовой обратной связью, или, другими словами, система билатерального управления. Силовая обратная связь позволяет человеку-оператору чувствовать силу реакции объектов, с которыми взаимодействует «ведомый» робот, а также самому передавать необходимые силы на объекты с помощью билатеральной системы. Такой способ управления обеспечивает более комфортное управление для человека, а также позволяет более гибко манипулировать объектами в рабочей среде имеющими связи. Совершенная билатеральная система должна быть построена таким образом, чтобы человек-оператор, взаимодействуя с объектами среды посредством роботов, мог работать таким образом, будто он взаимодействует с объектами непосредственно. Обычно, в этом случае, говорят, что такая система обладает хорошей транспарентностью.
Существенной проблемой на пути создания совершенной билатеральной системы является влияние временной задержки передачи сигналов на устойчивость и транспарентность системы. Однако следует отметить, что задержка не является единственной причиной нестабильности билатеральной системы. Также могут влиять такие факторы как шум, внешние помехи, масштабирование силы и т. п.
При дистанционном управлении космическими роботами вопрос влияния временной задержки сигнала играет ключевую роль. Исследователи из России (ЦНИИ РТК), США и Германии (DLR) активно ищут подходы к построению системы билатерального управления, слабо зависящей от задержек в передаче сигнала управления и обратной связи. Предлагаемые на данный момент подходы можно разделить на три группы: методы основанные на пассивности, методы основанные на прогнозирующих дисплеях и методы скользящего режима управления.
Метод основанный на пассивности базируется на том, что мощность, развиваемая рабочим инструментом «ведомого» манипулятора, не должна превышать мощность, развиваемой рукой человека, перемещающего инструмент «ведущего» робота. Это накладывает некоторые ограничения на функциональные возможности системы билатерального управления, однако, в соответствии с теорией рассеяния энергии, такой подход гарантирует выполнение устойчивости движения. Но, к сожалению, требование транспарентности в этом случае плохо выполняется.
Второй подход предполагает использование прогнозирующего управления. Оно базируется на использовании компьютерных моделей, с помощью которых осуществляется прогноз поведения «ведомого» робота и его внешней среды. В рамках данного метода достигается более качественное выполнение требования транспарентности.
Третий подход основан на использовании скользящего режима управления. Сложность практической реализации этого подхода обусловлена необходимостью функционирования управляющей аппаратуры и механической части робота в весьма тяжелых режимах часто изменяемого знака управлений, имеющих к тому же максимально допустимые значения. Это приводит к появлению больших ускорений элементов конструкции, а, следовательно, появлением больших реактивных сил.
Вышеуказанные методы могут обеспечивать устойчивость и транспарентность билатеральной системы при временной задержке не более 3 секунд, что существенно ограничивает расстояние, на которое можно отправить космического робота. В связи с этим, возникает актуальный вопрос построения такой структуры билатерального управления, которая обеспечивала бы возможность дистанционного управления на больших расстояниях.
В качестве подхода к решению данного вопроса, профессор СПбГУ Кулаков Ф. М. предложил метод дистанционного управления роботом с помощью обучения будущим действиям. В данном подходе процесс управления роботом разделяется на несколько этапов. На первом этапе «ведомый» робот, с помощью датчиков, собирает информацию об объектах рабочей среды и передает данные в центр управления. На втором этапе, в центре управления, на основе полученных параметров, формируется компьютерная или натурная модель внешней среды робота. Третий этап — это этап формирования программных траекторий на основе модели внешней среды и вспомогательного наземного робота. Если используется натурная модель рабочей среды, то в качестве вспомогательного робота можно использовать промышленный наземный робот, инструмент которого будет точно повторять инструмент космического робота. Если же в наличие имеется только компьютерная модель, то в качестве вспомогательного робота можно использовать робота-перчатку, который будет помогать человеку-оператору «чувствовать» и взаимодействовать с объектами смоделированной среды. То есть, на третьем этапе человек-оператор, наблюдая объекты модельной среды через очки дополненной реальности или просто наблюдая объекты натурной модели, проводит необходимую операцию с помощью соответствующего вспомогательного робота. В результате данного этапа формируется шаблоны операции и алгоритм действий передается исполнительному механизму. На четвертом этапе робот, анализируя изменения рабочей среды, адаптирует программу действий и выполняет ее, отправляя отчет о проделанной работе в центр управления. Этапы повторяются до полного выполнения поставленной задачи.
При успешной реализации данной схемы управления, будет обеспечена возможность проведения различных типов работ на больших расстояниях от Земли. К таким работам можно отнести построение космических баз на поверхностях различных планет, спутников и других небесных тел, ремонт функционирующих установок по добыче ресурсов с астероидов, обслуживание орбитальных космических станций, искусственных спутников и т. п. Предлагаемый подход снимает ограничения на временную задержку, так как устойчивость и транспарентность системы в таком случае в основном зависит от точности построенных моделей среды и робота.
Целью и задачей данной работы является разработка математических моделей элементов системы дистанционного управления космическими роботами методом обучения показом, функционирующими в недетерминированной внешней среде, а также подготовка соответствующих программ для верификации результатов. К ключевым задачам можно отнести:
— Построение математической модели исполнительного механизма, в качестве которой будет рассмотрен космический робот со свободнолетающим основанием.
— Построение математической модели вспомогательного наземного робота, в качестве которого будет рассматриваться промышленный манипулятор FANUC M-20iA.
— Решение и моделирование обратной задачи кинематики для наземного и космического робота.
— Динамический анализ исполнительных механизмов.
— Разработка алгоритма коррекции поведения робота при изменениях окружающей среды.
— Верификация результатов на компьютерных моделях.
При построении математических моделей элементов системы рассматриваемого способа дистанционного управления необходимо учитывать следующие особенности:
— На наземный «ведущий» робот и на космический «ведомый» робот воздействует разная гравитация.
— Если космический робот предназначен для обслуживания орбитальных станций и искусственных спутников, то обычно «ведомый» робот рассматривается как система, состоящая из свободнолетающего основания и закрепленного на нем манипулятора или системы манипуляторов. Это влечет за собой дополнительные степени подвижности и, как следствие, дополнительные уравнения движения.
— За время второго этапа управления и передачи алгоритма действий космическому роботу рабочая среда может изменится. «Ведомый» робот должен быть способен адаптировать алгоритм действий полученный с центра управления, учитывая эти изменения.
Объем и структура работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и одного приложения. Полный объём работы составляет 95 страниц с 28 рисунками. Список литературы содержит 51 наименование.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи научно-исследовательской работы. Приведено описание структуры и объема работы, а также дан краткий обзор содержания выпускной квалификационной работы по главам.
В первой главе «Билатеральное управление роботами при наличии задержек в передаче сигнала управления» приведен обзор существующих в настоящее время подходов к построению различных схем билатерального управления роботами с задержками в передаче сигналов управления и обратной связи. Рассмотрены особенности каждого метода и возможности их практической реализации. Представлено описание рассматриваемого в данной работе метода дистанционного управления. Сформулирована постановка задачи.
Во второй главе «Математическое моделирование исполнительной системы» приводится математическое описание объектов исследования в виде решения задач кинематики и динамики. Представлены кинематические схемы космического и наземного роботов. Рассматривается метод адаптации космического робота к изменениям рабочей среды.
В третьей главе «Программная реализация» представлены результаты компьютерного моделирования рассматриваемых во второй главе задач.
В заключении приведено описание результатов работы, сделаны главные выводы.
В приложении представлен программный код, результаты которого приведены в четвертой главе. Моделирование проводилось в математическом пакете Matlab.

Купить