Помощь студентам в учебе
МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПАЛЬЦЕВ С ЗАВИСИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА AR-601M ПРИ ЗАХВАТЕ ОБЪЕКТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
2. ОПИСАНИЕ РОБОТА AR-601M И ЕГО ПАЛЬЦЕВ 53
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПАЛЬЦЕВ РОБОТА 55
3.1 Модель зависимого соединения 55
3.2 Определение значений параметров зависимых соединений 56
3.3 Решение проблем прямой и обратной кинематики для пальцев 60
3.4 Расчет рабочих пространств пальцев 62
3.5 Описание кинематики манипулятора и рабочего пространства 64
4. ЗАХВАТ ОБЪЕКТОВ 67
4.1 Типовые решения 67
4.2 Выбранное решение 68
4.3 Моделирование среды и объектов для захвата 69
4.4 Апробация захвата объектов 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
2. ОПИСАНИЕ РОБОТА AR-601M И ЕГО ПАЛЬЦЕВ 53
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПАЛЬЦЕВ РОБОТА 55
3.1 Модель зависимого соединения 55
3.2 Определение значений параметров зависимых соединений 56
3.3 Решение проблем прямой и обратной кинематики для пальцев 60
3.4 Расчет рабочих пространств пальцев 62
3.5 Описание кинематики манипулятора и рабочего пространства 64
4. ЗАХВАТ ОБЪЕКТОВ 67
4.1 Типовые решения 67
4.2 Выбранное решение 68
4.3 Моделирование среды и объектов для захвата 69
4.4 Апробация захвата объектов 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ
Развитие робототехники обусловлено желанием облегчить работу или полностью заменить человека в разнообразных областях деятельности. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие гуманоидных роботов [60]. Возможности использования гуманоидных роботов широки, включая как самостоятельную деятельность, так и совместную деятельность с группой людей. Проводятся различные исследования с целью создать максимально правдоподобную копию человека, с идентичной походкой, движениями рук и интеллектом. На данный момент достигнуты значительные успехи в различных направлениях их разработки, например, в передвижении [61]. Тем не менее, у современных гуманоидных роботов отсутствует полный набор возможностей, соответствующий функционалу человека. Поэтому необходимо развивать их комплексно, улучшать движения их рук, ног, зрение и интеллект.
Анализ существующих применений гуманоидных роботов приводит к выделению такого необходимого навыка как ловкая манипуляция различными объектами рукой робота. Соответственно ставится задача решения нахождения захвата различных объектов гуманоидным роботом, представляющая собой отдельный раздел исследования в робототехнике. Актуальность проблемы обусловлена следующими причинами. Различные среды применения гуманоидных роботов располагают разными объектами с различными характеристиками, например, такими как вес, форма, размер. Для осуществления успешного взаимодействия с ними необходимо учесть все эти параметры. Также необходимо учесть условия окружающей среды, в которой будет происходить манипуляция объектом. Таким условием может быть, например, степень загромождённости сцены захвата [62] (т.е. участка пространства с расположенными на нем объектами для манипуляций) и взаимные окклюзии объектов [63]. Объекты могут обладать различными качественными характеристиками их поверхности. Влажная поверхность
объекта может способствовать проскальзыванию объекта в руке. У легкодеформируемой поверхности объекта, например, губки, при увеличении прикладываемой силы к объекту во время его захвата степень его деформации будет увеличиваться. По этим причинам для подобных объектов необходимо найти баланс между прикладываемой силой и сохранением формы объекта. Для осуществления надежного захвата необходимо учитывать описанные условия.
Существуют различные подходы к решению задачи захвата объектов различных форм и размеров. Разнообразие подходов способствовало появлению таких решений обозначенной задачи как soft hands [20] или underactuated hands [15]. Количество пальцев, используемых в представленных разработках, может совпадать с количеством пальцев человеческой руки или быть меньшим.
Движения пальцев рук робота могут быть основаны на полном контроле всех составляющих фаланг пальца или полном контроле только части их них, с зависимым контролем оставшейся части. Каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки. В случае контроля всех фаланг пальца движения становятся более точными и ловкими, увеличивая вероятность осуществления надежного и робастного захвата. Такой подход к контролю движения обладает одним существенным недостатком. Необходимость использования одного двигателя для каждой из фаланг каждого пальца гуманоидной руки приводит к увеличению стоимости и энергопотребления, размеры руки и пальцев способны существенно увеличиться для расположения всей оснастки. Увеличение размеров роботизированных пальцев приводит к ухудшению надежности захвата объектов, так как во время проведения захвата они способны существенно изменить сцену захвата изменением положения расположенных на ней объектов по причине ошибочных касаний во время манипуляций.
Второй способ управления робототехническими пальцами заключается в
использовании зависимых соединений. Принцип их использования заключается
в организации некоторой механической связи части фаланг между собой в цепь
4
таким образом, что приведение в движение одной фаланги цепи приводит в движение все зависимые фаланги. Подобный принцип движения обеспечивает возможность приведения конца пальца в некоторую точку (в нашем случае желаемая точка контакта пальца с объектом), аналогично полному контролю всеми фалангами пальца, но с меньшими затратами. Такой подход к контролю пальцев позволяет уменьшить необходимое количество двигателей для обеспечения управления, таким образом, являясь экономически более выгодным по сравнению с первым подходом. Однако подход с использованием зависимых соединений обладает и недостатками, заключающимися в том, что с помощью таких соединений сложнее осуществить надежный захват по причине того, что в данном подходе фаланги пальцев при сгибании пальца прикладывают суммарно меньше усилий к поддержанию объекта во время его захвата и удерживания.
Целью проведения исследования, описанного в данной работе, является моделирование движения пальцев с зависимыми соединениями гуманоидного робота AR-601M.
Проведение исследования включает в себя выполнение следующих задач:
• Составление математической модели пальца с зависимыми соединениями
• Проведение экспериментов для определения параметров, характеризующих движение зависимых соединений пальцев робота AR- 601M
• Проведение апробации захвата объектов в симуляции
Объектом исследования является рука антропоморфного робота, предметом исследования - захват пальцами робота.
Анализ существующих применений гуманоидных роботов приводит к выделению такого необходимого навыка как ловкая манипуляция различными объектами рукой робота. Соответственно ставится задача решения нахождения захвата различных объектов гуманоидным роботом, представляющая собой отдельный раздел исследования в робототехнике. Актуальность проблемы обусловлена следующими причинами. Различные среды применения гуманоидных роботов располагают разными объектами с различными характеристиками, например, такими как вес, форма, размер. Для осуществления успешного взаимодействия с ними необходимо учесть все эти параметры. Также необходимо учесть условия окружающей среды, в которой будет происходить манипуляция объектом. Таким условием может быть, например, степень загромождённости сцены захвата [62] (т.е. участка пространства с расположенными на нем объектами для манипуляций) и взаимные окклюзии объектов [63]. Объекты могут обладать различными качественными характеристиками их поверхности. Влажная поверхность
объекта может способствовать проскальзыванию объекта в руке. У легкодеформируемой поверхности объекта, например, губки, при увеличении прикладываемой силы к объекту во время его захвата степень его деформации будет увеличиваться. По этим причинам для подобных объектов необходимо найти баланс между прикладываемой силой и сохранением формы объекта. Для осуществления надежного захвата необходимо учитывать описанные условия.
Существуют различные подходы к решению задачи захвата объектов различных форм и размеров. Разнообразие подходов способствовало появлению таких решений обозначенной задачи как soft hands [20] или underactuated hands [15]. Количество пальцев, используемых в представленных разработках, может совпадать с количеством пальцев человеческой руки или быть меньшим.
Движения пальцев рук робота могут быть основаны на полном контроле всех составляющих фаланг пальца или полном контроле только части их них, с зависимым контролем оставшейся части. Каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки. В случае контроля всех фаланг пальца движения становятся более точными и ловкими, увеличивая вероятность осуществления надежного и робастного захвата. Такой подход к контролю движения обладает одним существенным недостатком. Необходимость использования одного двигателя для каждой из фаланг каждого пальца гуманоидной руки приводит к увеличению стоимости и энергопотребления, размеры руки и пальцев способны существенно увеличиться для расположения всей оснастки. Увеличение размеров роботизированных пальцев приводит к ухудшению надежности захвата объектов, так как во время проведения захвата они способны существенно изменить сцену захвата изменением положения расположенных на ней объектов по причине ошибочных касаний во время манипуляций.
Второй способ управления робототехническими пальцами заключается в
использовании зависимых соединений. Принцип их использования заключается
в организации некоторой механической связи части фаланг между собой в цепь
4
таким образом, что приведение в движение одной фаланги цепи приводит в движение все зависимые фаланги. Подобный принцип движения обеспечивает возможность приведения конца пальца в некоторую точку (в нашем случае желаемая точка контакта пальца с объектом), аналогично полному контролю всеми фалангами пальца, но с меньшими затратами. Такой подход к контролю пальцев позволяет уменьшить необходимое количество двигателей для обеспечения управления, таким образом, являясь экономически более выгодным по сравнению с первым подходом. Однако подход с использованием зависимых соединений обладает и недостатками, заключающимися в том, что с помощью таких соединений сложнее осуществить надежный захват по причине того, что в данном подходе фаланги пальцев при сгибании пальца прикладывают суммарно меньше усилий к поддержанию объекта во время его захвата и удерживания.
Целью проведения исследования, описанного в данной работе, является моделирование движения пальцев с зависимыми соединениями гуманоидного робота AR-601M.
Проведение исследования включает в себя выполнение следующих задач:
• Составление математической модели пальца с зависимыми соединениями
• Проведение экспериментов для определения параметров, характеризующих движение зависимых соединений пальцев робота AR- 601M
• Проведение апробации захвата объектов в симуляции
Объектом исследования является рука антропоморфного робота, предметом исследования - захват пальцами робота.
Эта работа посвящена моделированию движений пальцев с зависимыми соединениями гуманоидного робота AR-601M. Для проведения этого исследования были выполнены следующие работы: экспериментальным путем определены параметры, характеризующие движение зависимых соединений пальцев робота; решены задачи прямой и обратной кинематики для пальцев робота и его манипулятора; вычислены их рабочие пространства. Применение результатов моделирования движений пальцев с зависимыми соединениями было осуществлено с помощью апробации захвата объектов, проведенной путем выполнения задачи pick and place в симуляции с использованием 5 синтетических объектов.
На данный момент работа обладает недостатком, заключающимся в расчете целевой точки, необходимой для достижения кистью робота для захвата объектов, эмпирическим путем. Дальнейшие усовершенствования работы должны быть направлены на создание и программную имплементацию функционала автоматического расчета целевой точки с помощью инструментов технического зрения.
На данный момент работа обладает недостатком, заключающимся в расчете целевой точки, необходимой для достижения кистью робота для захвата объектов, эмпирическим путем. Дальнейшие усовершенствования работы должны быть направлены на создание и программную имплементацию функционала автоматического расчета целевой точки с помощью инструментов технического зрения.