📄Работа №69796
Тема: Устойчивость и оптимизация процессов управления шагающим роботом
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
Информатика и вычислительная техника
Объем:
50 листов
Год:
2016
Просмотров:
165
4240
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 3
Постановка задачи 6
Обзор литературы 8
Глава 1. Построение трёхмерной модели человекоподобного робота 9
1.1. Выбор обобщённых координат 10
1.2. Основные физические предпосылки и предположения 11
1.3. Моделирование собственной динамики робота 12
Глава 2. Построение двумерной модели человекоподобного робота 18
2.1. Выбор обобщённых координат 18
2.2. Основные физические предпосылки и предположения 20
2.3. Моделирование собственной динамики робота 20
2.4. Моделирование внешних воздействий 22
2.4.1. Моделирование воздействий со стороны поверхности 23
2.4.2. Моделирование силы тяжести 26
2.4.3. Моделирование остальных воздействий 27
2.5. Моделирование точки нулевого момента 30
Глава 3. Синтез системы стабилизации 32
3.1. Линеаризация модели 32
3.2. Построение стабилизирующего управления 35
Глава 4. Управление шагами робота 41
4.1. Конечная машина состояний 42
4.2. Энергетический контроль 45
4.3. Результаты имитационного моделирования 46
Выводы 48
Заключение 49
Список литературы
Постановка задачи 6
Обзор литературы 8
Глава 1. Построение трёхмерной модели человекоподобного робота 9
1.1. Выбор обобщённых координат 10
1.2. Основные физические предпосылки и предположения 11
1.3. Моделирование собственной динамики робота 12
Глава 2. Построение двумерной модели человекоподобного робота 18
2.1. Выбор обобщённых координат 18
2.2. Основные физические предпосылки и предположения 20
2.3. Моделирование собственной динамики робота 20
2.4. Моделирование внешних воздействий 22
2.4.1. Моделирование воздействий со стороны поверхности 23
2.4.2. Моделирование силы тяжести 26
2.4.3. Моделирование остальных воздействий 27
2.5. Моделирование точки нулевого момента 30
Глава 3. Синтез системы стабилизации 32
3.1. Линеаризация модели 32
3.2. Построение стабилизирующего управления 35
Глава 4. Управление шагами робота 41
4.1. Конечная машина состояний 42
4.2. Энергетический контроль 45
4.3. Результаты имитационного моделирования 46
Выводы 48
Заключение 49
Список литературы
📖 Введение
Современный мир невозможно представить себе без автоматических устройств, помогающих человеку буквально во всём, от готовки завтрака до полёта в космос. Подобные машины существуют очень давно. К примеру, известны автоматы, изобретённые в Древней Греции и способные открывать двери храма при зажигании святого огня и продавать святую воду [1]. Примерно в то же время появились и первые машины, напоминающие своим видом человека: например, на Александрийском Маяке были движущиеся статуи женщин, которые днём занимались отбиванием склянок, а по ночам издавали специальные сигналы, позволяющие морякам определить близость берега [2]. В эпоху Возрождения появились первые образцы человекоподобных роботов. Широко известен так называемый Робот Леонардо - человекоподобный автомат, который мог стоять, садиться, открывать забрало доспехов, двигать шеей и руками [3]. Но вплоть до второй половины двадцатого века роботы не могли совершать одно из главных действий, свойственных человеку - передвигаться на двух ногах.
Одним из первых, кто занимался проблемой двуногого перемещения, был Миомир Вукобратович - сербский учёный, специалист в области биомеханики и робототехники. В 1968 году на третьем Всесоюзном конгрессе по теоретической и прикладной механике в Москве он представил на всеобщее обозрение концепцию, названную им в его дальнейших работах начала 1970-х «точкой нулевого момента» (англ. Zero-Moment Point, ZMP) [4] и получившую впоследствии широкое распространение. Это точка, относительно которой скомпенсированы горизонтальные моменты внешних сил. Основная идея заключается в том простом факте, что вертикальные моменты внешних сил могут лишь разворачивать робота относительно вертикальной оси и никак не влияют на его устойчивость. Благодаря этому, правильно управляя положением точки, относительно которой суммарная горизонтальная проекция векторов, соответствующих внешним моментам, равна нулю, можно добиться устойчивого движения робота.
Несмотря на почти полувековую историю этого подхода, он всё ещё является одним из самых используемых в современной робототехнике благодаря своей изученности и относительной простоте реализации. В качестве примеров современных человекоподобных роботов, использующих данный подход, могут выступать роботы ASIMO (Япония), TOPIO (Вьетнам) и HUBO (Южная Корея). Существенным недостатком методов, использующих концепцию точки нулевого момента , является малая схожесть получившегося движения с движением человека (что можно заметить, например, наблюдая за движением робота ASIMO). Это согласуется с распространённой гипотезой о том, что движение человека на самом деле представляет собой «контролируемое падение» и не требует статической устойчивости, а также косвенно показывает, что и условие ZMP- стабильности не является необходимым.
ZMP-критерий становится неприменим в случае отсутствия поддерживающей робота поверхности (общей поверхности плоскости, по которой перемещается робот, и его ступней), называемой поддерживающим многоугольником, и в том случае, когда площадь этой поверхности равна нулю (т. е. если она представляет из себя точку либо кривую). В связи с этим необходимы иные методы решения задачи стабильного перемещения двуногого робота в пространстве. В настоящее время существуют и активно развиваются другие концепции, не использующие критерий ZMP- стабильности (например, «прыгающий робот», впервые предложенный и разработанный Марком Райбертом, сконструировавшим в 1986 году одноногого прыгающего робота, способного поддерживать себя в равновесии [5]). В данной работе будет рассмотрен другой подход к движению шагающего робота: конечная машина состояний и энергетический контроль. Этот подход использует информацию об энергии центра масс робота и его скорости и на основе этих данных позволяет формировать управляющие моменты, действующие на отдельные детали конструкции со стороны сервоприводов.
При разработке различных систем управления неустойчивыми объектами часто приходится сталкиваться с непредвиденным поведением, способным на практике привести к авариям и поломке оборудования. Поэтому отдельной существенной задачей при исследовании движения двуногого робота является его математическое и компьютерное моделирование. Наличие модели позволяет безопасно отработать различные режимы управления, многие из которых, в силу особенностей разработки (в основном из-за использования упрощённых моделей), приводят к нежелательным результатам. Этой задаче посвящена отдельная часть данной работы.
Одним из первых, кто занимался проблемой двуногого перемещения, был Миомир Вукобратович - сербский учёный, специалист в области биомеханики и робототехники. В 1968 году на третьем Всесоюзном конгрессе по теоретической и прикладной механике в Москве он представил на всеобщее обозрение концепцию, названную им в его дальнейших работах начала 1970-х «точкой нулевого момента» (англ. Zero-Moment Point, ZMP) [4] и получившую впоследствии широкое распространение. Это точка, относительно которой скомпенсированы горизонтальные моменты внешних сил. Основная идея заключается в том простом факте, что вертикальные моменты внешних сил могут лишь разворачивать робота относительно вертикальной оси и никак не влияют на его устойчивость. Благодаря этому, правильно управляя положением точки, относительно которой суммарная горизонтальная проекция векторов, соответствующих внешним моментам, равна нулю, можно добиться устойчивого движения робота.
Несмотря на почти полувековую историю этого подхода, он всё ещё является одним из самых используемых в современной робототехнике благодаря своей изученности и относительной простоте реализации. В качестве примеров современных человекоподобных роботов, использующих данный подход, могут выступать роботы ASIMO (Япония), TOPIO (Вьетнам) и HUBO (Южная Корея). Существенным недостатком методов, использующих концепцию точки нулевого момента , является малая схожесть получившегося движения с движением человека (что можно заметить, например, наблюдая за движением робота ASIMO). Это согласуется с распространённой гипотезой о том, что движение человека на самом деле представляет собой «контролируемое падение» и не требует статической устойчивости, а также косвенно показывает, что и условие ZMP- стабильности не является необходимым.
ZMP-критерий становится неприменим в случае отсутствия поддерживающей робота поверхности (общей поверхности плоскости, по которой перемещается робот, и его ступней), называемой поддерживающим многоугольником, и в том случае, когда площадь этой поверхности равна нулю (т. е. если она представляет из себя точку либо кривую). В связи с этим необходимы иные методы решения задачи стабильного перемещения двуногого робота в пространстве. В настоящее время существуют и активно развиваются другие концепции, не использующие критерий ZMP- стабильности (например, «прыгающий робот», впервые предложенный и разработанный Марком Райбертом, сконструировавшим в 1986 году одноногого прыгающего робота, способного поддерживать себя в равновесии [5]). В данной работе будет рассмотрен другой подход к движению шагающего робота: конечная машина состояний и энергетический контроль. Этот подход использует информацию об энергии центра масс робота и его скорости и на основе этих данных позволяет формировать управляющие моменты, действующие на отдельные детали конструкции со стороны сервоприводов.
При разработке различных систем управления неустойчивыми объектами часто приходится сталкиваться с непредвиденным поведением, способным на практике привести к авариям и поломке оборудования. Поэтому отдельной существенной задачей при исследовании движения двуногого робота является его математическое и компьютерное моделирование. Наличие модели позволяет безопасно отработать различные режимы управления, многие из которых, в силу особенностей разработки (в основном из-за использования упрощённых моделей), приводят к нежелательным результатам. Этой задаче посвящена отдельная часть данной работы.
✅ Заключение
Рассмотренный в данной работе подход к построению математической модели шагающего робота является универсальным в том смысле, что он применим к произвольным механическим системам, а потому может быть использован для моделирования не только человекоподобных, но и других видов роботов с иным числом опорных конечностей. Раздельное моделирование собственной динамики и внешних воздействий также предоставляет широкие возможности к обобщению полученных результатов на другие типы поверхностей произвольной формы и свойств при сохранении неизменной базовой конструкции робота.
Синтезированное управление для передвижения двумерного робота в реальности согласуется с передвижением трёхмерного робота с достаточно широкими ступнями по прямолинейной траектории и технически может быть проверено на реальной модели.
Синтезированное управление для передвижения двумерного робота в реальности согласуется с передвижением трёхмерного робота с достаточно широкими ступнями по прямолинейной траектории и технически может быть проверено на реальной модели.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.