Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИМПЛЕМЕНТАЦИЯ АЛГОРИТМА ХОДЬБЫ ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА ROBOTIS-OP3
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1 История развития шагающих роботов 6
1.2. Методы движения ДШР с сохранением равновесия 15
1.3 Особенности человеческой ходьбы и ее трансляция на ДШР 18
1.4 Решение задач прямой и обратной кинематики 22
1.5. Точка нулевого момента 25
1.6. Модель динамики ходьбы робота 28
1.7. Генерация траекторий движения ДШР 31
1.8. Генерация траекторий движения ДШР с обратной связью 36
2 ОПИСАНИЕ И МОДИФИКАЦИЯ АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ 43
2.1. Описание робототехнической платформы 43
2.2 Интеграция силомоментных датчиков в систему робота 45
3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТА
ЭКСПЕРИМЕНТОВ 51
3.1. Robot Operating System 51
3.2. Разработка программного комплекса для управления передвижением
ДШР 52
3.3. Подбор параметров ПИД-регулятора 53
3.4 Движение вдоль прямой с использованием регулятора 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 63
Приложение А 69
Приложение Б 99
Приложение В 109
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1 История развития шагающих роботов 6
1.2. Методы движения ДШР с сохранением равновесия 15
1.3 Особенности человеческой ходьбы и ее трансляция на ДШР 18
1.4 Решение задач прямой и обратной кинематики 22
1.5. Точка нулевого момента 25
1.6. Модель динамики ходьбы робота 28
1.7. Генерация траекторий движения ДШР 31
1.8. Генерация траекторий движения ДШР с обратной связью 36
2 ОПИСАНИЕ И МОДИФИКАЦИЯ АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ 43
2.1. Описание робототехнической платформы 43
2.2 Интеграция силомоментных датчиков в систему робота 45
3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТА
ЭКСПЕРИМЕНТОВ 51
3.1. Robot Operating System 51
3.2. Разработка программного комплекса для управления передвижением
ДШР 52
3.3. Подбор параметров ПИД-регулятора 53
3.4 Движение вдоль прямой с использованием регулятора 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 63
Приложение А 69
Приложение Б 99
Приложение В 109
На сегодняшний день робототехника является одной из самых перспективных отраслей науки, целями которой являются избавление человечества от монотонного труда, требующего постоянного физического и умственного напряжения, а также выполнение работ, связанных с возможными рисками для здоровья человека. Кроме того, такие параметры как скорость и точность могут быть выше человеческих. Уже сегодня существует множество сфер, таких военное дело, промышленность и медицина, где роботы успешно зарекомендовали себя благодаря вышеперечисленным достоинствам.
Одной из первостепенных проблем современной робототехники является задача разработки и создания роботов, преимуществами которых были бы повышенная проходимость, возможность выполнить различные работы в среде, созданной и приспособленной непосредственно для человека, а также способных работать в тяжелых и опасных условиях. Одним из важнейших событий, послуживших стимулом для ускоренного развития в данном направлении, стала радиационная авария на атомной станции Фукусимы, показавшая острую необходимость в антропоморфных роботах, а именно двуногих шагающих роботах (ДШР), обладающих всеми перечисленными свойствами. В настоящее время организуются и проводятся различные соревнования, такие как Robot Soccer World Cup, DARPA Robotics Challenge и другие, целью которых является привлечение интереса к разработкам и исследованиям в области антропоморфных роботов. Антропоморфный, то есть, человекоподобный дизайн лучше остальных подходит для коммуникации робота с как можно более широкой аудиторией: уже сегодня можно встретить социальных и образовательных роботов, роботов-промоутеров, а также первые проекты роботов-помощников, призванных помочь в различных повседневных делах. Данные роботы должны непосредственно взаимодействовать с человеком, что накладывает определенные требования на них, такие как: обеспечение безопасности такого взаимодействия, соблюдение социальных норм, принятых в конкретном обществе и т.д.. Для этих задач ученые создают роботов, способных перемещаться внутри помещений, пользоваться инструментами и устройствами, предназначенными для использования людьми, а также существующей инфраструктурой. Все это накладывает определенные условия на их технические характеристики: они должны учитывать размеры, массу, кинематику и динамику человеческого тела и тех объектов, с которыми взаимодействует человек. Таким образом, именно антропоморфные ДШР позволяют решать ряд задач, связанных с перемещением в привычных для человека условиях: передвигаться по пересеченной местности, перешагивать встречающиеся препятствия, а также подниматься по лестницам. Колесо решает проблему передвижения робота лишь частично, так как для его эффективного использования нужна гладкая и ровная поверхность. При условии наличия ровной твердой поверхности колесо является основой для более эффективного перемещения, однако в остальных случаях колесо уступает шагающим машинам, а в некоторых ситуациях может оказаться совершенно бесполезным. Именно поэтому ДШР являются одним из тех редких типов робототехнических систем, одинаково хорошо пригодных для различного спектра задач. Перемещение ДШР с сохранением равновесия было и остается сложной и актуальной задачей, на решение которой уже ушло не одно десятилетие.
Целью данной выпускной квалификационной магистерской работы является разработка и имплементация алгоритма ходьбы с сохранением равновесия для малоразмерного антропоморфного робота ROBOTIS-OP3.
Для выполнения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель движения робота, включающую постановку и решение задач прямой и обратной кинематики, а также уравнений динамики, обеспечивающих динамическое равновесие робота.
2. Разработать алгоритм движения робототехнической платформы ROBOTIS OP3 вдоль траектории, представляющую собой прямую линию.
3. Интегрировать силомоментные датчики в систему робота для оценки положения центра масс робота.
4. Разработать программный комплекс для управления ходьбой робота ROBOTIS OP3 с условием сохранения равновесия.
Одной из первостепенных проблем современной робототехники является задача разработки и создания роботов, преимуществами которых были бы повышенная проходимость, возможность выполнить различные работы в среде, созданной и приспособленной непосредственно для человека, а также способных работать в тяжелых и опасных условиях. Одним из важнейших событий, послуживших стимулом для ускоренного развития в данном направлении, стала радиационная авария на атомной станции Фукусимы, показавшая острую необходимость в антропоморфных роботах, а именно двуногих шагающих роботах (ДШР), обладающих всеми перечисленными свойствами. В настоящее время организуются и проводятся различные соревнования, такие как Robot Soccer World Cup, DARPA Robotics Challenge и другие, целью которых является привлечение интереса к разработкам и исследованиям в области антропоморфных роботов. Антропоморфный, то есть, человекоподобный дизайн лучше остальных подходит для коммуникации робота с как можно более широкой аудиторией: уже сегодня можно встретить социальных и образовательных роботов, роботов-промоутеров, а также первые проекты роботов-помощников, призванных помочь в различных повседневных делах. Данные роботы должны непосредственно взаимодействовать с человеком, что накладывает определенные требования на них, такие как: обеспечение безопасности такого взаимодействия, соблюдение социальных норм, принятых в конкретном обществе и т.д.. Для этих задач ученые создают роботов, способных перемещаться внутри помещений, пользоваться инструментами и устройствами, предназначенными для использования людьми, а также существующей инфраструктурой. Все это накладывает определенные условия на их технические характеристики: они должны учитывать размеры, массу, кинематику и динамику человеческого тела и тех объектов, с которыми взаимодействует человек. Таким образом, именно антропоморфные ДШР позволяют решать ряд задач, связанных с перемещением в привычных для человека условиях: передвигаться по пересеченной местности, перешагивать встречающиеся препятствия, а также подниматься по лестницам. Колесо решает проблему передвижения робота лишь частично, так как для его эффективного использования нужна гладкая и ровная поверхность. При условии наличия ровной твердой поверхности колесо является основой для более эффективного перемещения, однако в остальных случаях колесо уступает шагающим машинам, а в некоторых ситуациях может оказаться совершенно бесполезным. Именно поэтому ДШР являются одним из тех редких типов робототехнических систем, одинаково хорошо пригодных для различного спектра задач. Перемещение ДШР с сохранением равновесия было и остается сложной и актуальной задачей, на решение которой уже ушло не одно десятилетие.
Целью данной выпускной квалификационной магистерской работы является разработка и имплементация алгоритма ходьбы с сохранением равновесия для малоразмерного антропоморфного робота ROBOTIS-OP3.
Для выполнения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель движения робота, включающую постановку и решение задач прямой и обратной кинематики, а также уравнений динамики, обеспечивающих динамическое равновесие робота.
2. Разработать алгоритм движения робототехнической платформы ROBOTIS OP3 вдоль траектории, представляющую собой прямую линию.
3. Интегрировать силомоментные датчики в систему робота для оценки положения центра масс робота.
4. Разработать программный комплекс для управления ходьбой робота ROBOTIS OP3 с условием сохранения равновесия.
Одной из главных проблем современной робототехники является задача разработки и создания роботов, обладающих повышенной проходимостью, возможностью выполнять различные работы в среде, приспособленной для человека, а также способных работать в тяжелых и опасных для человека условиях. Решением могут стать двуногие шагающие роботы, обладающие вышеперечисленными свойствами. Перемещение ДТТТР с сохранением равновесия было и остается сложной и актуальной задачей, на решение которой уже ушло не одно десятилетие. В связи с этим, в качестве цели данной выпускной квалификационной работы была выбрана разработка и имплементация алгоритма ходьбы с сохранением равновесия для малоразмерного антропоморфного робота ROBOTIS-OP3.
Так, нами была разработана математическая модель движения робота, включающая постановку и решение задач прямой и обратной кинематики, а также уравнений динамики, обеспечивающих динамическое равновесие робота. Для решения задачи обратной кинематики использовались численные методы нахождения значений углов для суставов робота. Задача динамики была решена исходя из упрощенной модели робота, представляющей перевернутый маятник. В качестве критерия сохранения равновесия был выбран подход точки нулевого момента. Также был разработан алгоритм движения робототехнической платформы ROBOTIS OP3 вдоль траектории, представляющую собой прямую линию, который основа на использовании регулятора с прогнозированием. Для реализации обратной связи в регуляторе, управляющим движением робота, в систему робота были интегрированы силомоментные датчики. Для управления роботом ROBOTIS OP3 был разработан программный комплекс, реализованный с помощью возможностей фреймворка ROS, позволяющий осуществить передвижение данного ДТР вдоль прямолинейной траектории. Данный комплекс наглядно продемонстрировал эффективность предложенных методов управления передвижением ДТР при проведении испытаний на реальном роботе.
Согласно теме ВКР в качестве дальнейшей работы можно рассматривать подбор оптимальных параметров шага для реализованного регулятора, а также имплементация более сложных моделей динамики, например, двухзвенного обратного маятника, чтобы учесть влияние динамики педипуляторов робота, и улучшение текущего критерия сохранения равновесия до конуса контактных винтов.
Данная работа, а также исходный код доступны на GitLab по следующей ссылке: http: //gititis. kpfu.ru/GNV asilev/VASILYEV_VKR_LIRS.
Так, нами была разработана математическая модель движения робота, включающая постановку и решение задач прямой и обратной кинематики, а также уравнений динамики, обеспечивающих динамическое равновесие робота. Для решения задачи обратной кинематики использовались численные методы нахождения значений углов для суставов робота. Задача динамики была решена исходя из упрощенной модели робота, представляющей перевернутый маятник. В качестве критерия сохранения равновесия был выбран подход точки нулевого момента. Также был разработан алгоритм движения робототехнической платформы ROBOTIS OP3 вдоль траектории, представляющую собой прямую линию, который основа на использовании регулятора с прогнозированием. Для реализации обратной связи в регуляторе, управляющим движением робота, в систему робота были интегрированы силомоментные датчики. Для управления роботом ROBOTIS OP3 был разработан программный комплекс, реализованный с помощью возможностей фреймворка ROS, позволяющий осуществить передвижение данного ДТР вдоль прямолинейной траектории. Данный комплекс наглядно продемонстрировал эффективность предложенных методов управления передвижением ДТР при проведении испытаний на реальном роботе.
Согласно теме ВКР в качестве дальнейшей работы можно рассматривать подбор оптимальных параметров шага для реализованного регулятора, а также имплементация более сложных моделей динамики, например, двухзвенного обратного маятника, чтобы учесть влияние динамики педипуляторов робота, и улучшение текущего критерия сохранения равновесия до конуса контактных винтов.
Данная работа, а также исходный код доступны на GitLab по следующей ссылке: http: //gititis. kpfu.ru/GNV asilev/VASILYEV_VKR_LIRS.