автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Повышение точности и качества управления движением мобильных роботов на основе позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи систем двустороннего действия

4ВООI

На правах рукописи

ФАРХАТДИНОВ ИЛЬДАР ГАЛИМХАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ КАНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ СИСТЕМ ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

1 5 с.Р м 2011

Москва 2011

4853118

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель Д.т.н., профессор Подураев Ю. В.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

д.т.н., профессор Еленев С. А. ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», к.т.н., Польский В. А. ГОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана

«Центральный научно-исследовательский технологический институт» (ОАО «ЦНИТИ») (г. Москва)

Защита состоится л.// 2011 г. в /Учасов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше

адресу.

Автореферат разослан « /» СЫьГсРсШ 2011 г.

//и

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.01, кандидат технических наук

^Волосова М. А.

1 Общая характеристика работы

Актуальность. Системы двустороннего управления широко применяются в дистанционном управлении копирующими манипуляторами. Существует множество публикаций, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами. Однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционному управлению мобильными роботами с применением систем двустороннего действия. Поэтому важным предметом для исследования является построение алгоритмов вычисления усилий для систем двустороннего действия при дистанционном управлении мобильными роботами. Дистанционное управление мобильными роботами находит свое применение во многих отраслях экономики. При дистанционном управлении мобильными роботами основным каналом обратной связи, как правило, является визуальный. Однако могут возникать ситуации, в которых визуальная информация мало информативна ввиду специфики выполняемых роботом операций и/или визуальная информация передается человеку-оператору с искажениями. В таких случаях необходимо иметь альтернативные каналы обратной связи, например, силовые человеко-машинные интерфейсы. Поэтому применение систем отражения усилий для дистанционного управления мобильными роботами может существенно повысить качество управления и обеспечить человека-оператора удобным интерфейсом взаимодействия с роботом.

Целью исследования является повышение точности и качества управления движением дистанционно управляемых мобильных роботов при выполнении операций в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

Задачи работы:

1. Анализ специфики операций и формирование требований к системе дистанционного управления мобильным роботом в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

2. Разработка позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

3. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования.

4. Экспериментальное исследование позиционно-силовых алгоритмов в канале обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

Методы исследования. В работе использованы методы классической теории линейных систем автоматического управления, метод функций Ляпунова для анализа устойчивости нелинейных систем, методы численного моделирования динамических систем. Использован системный подход к ис-

следованию системы дистанционного управления мобильным роботом, как целостного объекта.

Научная новизна работы заключается:

- в структуре робототехнической системы дистанционного управления мобильным роботом, включающей в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании расстояния от мобильного робота до объектов внешней среды.

- в позиционно-силовом алгоритме канала обратной связи для систем двустороннего действия дистанционно управляемых мобильных роботов, основанном на дозировании отражаемых человеку-оператору усилий на основании скорости движения мобильного робота.

- в математической модели системы дистанционного управления мобильным роботом с предложенным позиционно-силовым алгоритмом канала обратной связи.

- в анализе устойчивости системы с каналом обратной связи по силе и определении областей допустимых значений коэффициентов обратной связи для обеспечения стабильной работы системы.

- в определении влияния позиционно-силовых каналов обратной связи на точность и качество управления движением мобильного робота путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.

Практическая ценность:

1. Построенный позиционно-силовой алгоритм позволяет повысить точность и безопасность дистанционного управления мобильным роботом.

2. Определены требования, предъявляемые к разработке позиционно-сило-вых алгоритмов каналов обратной связи в системах дистанционного управления мобильными роботами.

3. Разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления.

Реализация работы. В результате исследования была построена экспериментальная установка для дистанционного управления мобильным роботом с позиционно-силовым каналом обратной связи. Построенная установка применяется для дальнейших исследований в робототехнической лаборатории Корейского университета технологии и образования.

Апробация работы. Результаты докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научных форумах:

- Международной научной конференции "IEEE/RSJ Intelligent robots and systems 2010" (IEEE/RSJ IROS 2010), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и японским робототех-ническим обществом (RSJ), 2010 год, Тайпей, Тайвань.

- Международной научной конференции "Eurohaptics 2010," организованной европейским обществом по тактильным интерфейсам, 2010 год, Амстердам, Нидерланды.

- Международном научном симпозиуме "IEEE Haptics symposium 2010," организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2010 год, Бостон, США.

- Международной научной конференции "IEEE Computational intelligence in robotics and aut.omation 2009" (IEEE CIRA 2009), организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2009 год, Тэджон, Южная Корея.

- Международной научной конференции "IEEE/ASME Adva.nced intelligent mechatronics 2008" (IEEE/ASME AIM 2008), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и американским обществом инженеров-механиков (ASME), 2008 год, Сиан, Китай.

- Семнадцатом всемирном конгрессе международной федерации по автоматическому управлению (IFAC World Congress 2008), 2008 год, Сеул, Южная Корея.

- Международной научной конференции "International Conference on Control, Automation and Systems 200?' (IEEE/ICROS ICCAS 2007), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институтом управления, робототехники и систем (ICROS), 2007 год, Сеул, Южная Корея.

- Научных семинарах на кафедре "Робототехника и мехатроника", МГТУ "СТАНКИН".

- Научных семинарах в лаборатории Био-роботехники в Корейском технологическом университете, Чхонан, Южная Корея.

Результаты работы были отмечены на международном научном симпозиуме "IEEE Haptics symposium 2010," организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), дипломом за лучший доклад.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде статей в научных рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, в виде статей в сборниках международных рецензируемых научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 1 таблицу и список литературы, включающий 107 наименований.

2 Содержание работы

В первой главе кратко описывается система дистанционного управления мобильным роботом. На рис. 1 представлен общий вид такой системы.

Рис. 1: Схема системы двустороннего дистанционного управления мобильным роботом

Человек-оператор управляет мобильным роботом посредством изменения положения задающего устройства. Датчики положения задающего устройства измеряют положение рукоятки, и измеренные величины передаются по каналам связи в систему управления мобильным роботом. Бортовая система управления мобильного робота воспринимает полученные величины как значения желаемых линейной и угловой скоростей мобильного робота. Контроллер скорости мобильного робота осуществляет слежение за желаемыми скоростями робота, что приводит к реализации движения по некоторой траектории.

Далее приводится обзор человеко-машинных интерфейсов, применяемых в системах дистанционного управления мобильными роботами. Целью обзора литературы является ознакомление с известными человеко-машинными интерфейсами и их ролью в системах дистанционного управления мобильными роботами. Формулируются требования к разработке алгоритмов для силовых человеко-машинных интерфейсов. Целью применения силовых человеко-машинных интерфейсов в системах дистанционного управления мобильными роботами является повышение информированности человека-оператора о состоянии удаленной среды и мобильной робо-тотехнической системы, улучшение эргономики процесса управления и повышения качества выполнения поставленных задач. Например, силовая информация может быть использована для отображения оператору информации о наличии препятствий на пути робота так, как это показано на рис. 1. Направление отражаемой оператору силы будет противоположно направлению от мобильного робота до препятствия, а величина силы, будет соответ-

ствовать расстоянию от мобильного робота до препятствия по некоторому заранее определенному закону. В таких системах человек-оператор должен обладать достаточным объемом информации для успешного выполнения запланированных работ, при этом важно не перегружать человека избыточными либо не актуальными потоками данных, так как это может привести к повышенной утомляемости и усталости, что может повлечь за собой ошибки при задачи команд управления движением робота. Ниже сформированы наиболее важные требования и случаи применения силовой обратной связи в системах дистанционного управления мобильными роботами.

Обеспечение информации об окружении мобильного робота. Силовая обратная связь может быть использована для отображения человеку-оператору информации об окружении мобильного робота в удаленной среде.

Безопасное движение без столкновений с объектами удаленной среды. Для обеспечения движения мобильного робота без столкновений необходимо построить позиционно-силовой алгоритм канала обратной связи системы дистанционного управления, который воспроизводит усилия на задающем устройстве, препятствующие движению мобильного робота в сторону потенциально опасного объекта. При этом сила, генерируемая на задающем устройстве, должна возрастать с уменьшением расстояния до объекта, к которому приближается мобильный робот.

Точное выполнение технологических и исследовательских операций вблизи объектов удаленной среды без столкновений. Часто для выполнения технологических и исследовательских операций человеку-оператору необходимо иметь возможность точно управлять положением и ориентацией мобильного робота вблизи объектов удаленной среды. При этом важно, чтобы мобильный робот осуществлял движение без столкновений с объектами среды, но при этом силы, воспроизводимые на задающем устройстве, не играли роль помех, искажающих команды задаваемые оператором на задающем устройстве.

Обеспечение безопасных маневров мобильного робота при поворотах и движении назад. Необходимо использовать позиционно-силовые алгоритмы, помогающие человеку-оператору правильно воспринимать пространство вокруг робота и задавать правильные и безопасные команды для маневров в отсутствии визуальной информации.

Обеспечение достаточно точного движения мобильного робота относительно объектов среды. Наличие силовой обратной связи, основанной на измерении расстояний до объектов среды, должно позволять человеку-оператору осуществлять с достаточной степенью точности перемещение мобильного робота вдоль заданного объекта. Это может быть полезно при перемещении в узких пространствах, когда необходимо пере-

а) Ь)

Рис. 2: Линейная модель отражения усилий на основании расстояний до препятствий (а). Величина коэффициента обратной связи по силе зависит от производной по времени ¿г/Л (Ь).

мещаться на одинаковом расстоянии от стен слева и справа от корпуса мобильного робота.

Во второй главе описано построение позиционно-силовых алгоритмов для каналов обратной систем дистанционного управления мобильными роботами. В первой части главы описан линейный метод расчета и отражения усилий, основанный на линейной зависимости от расстояния между мобильным роботом и препятствием. На рис. 2 показана схема линейного алгоритма вычисления усилий, который заключается в линейной зависимости отражаемой человеку-оператору на задающем устройстве силы / от пройденного мобильным роботом расстояния у в некоторой зоне вблизи препятствия:

г >7-0

1 1 о, г < го М

где к - коэффициент силовой обратной связи.

Однако экспериментальное исследование показало использование линейной системы отражения усилий отрицательно сказывается на точности управления положением мобильного робота. В системе дистанционного управления мобильным роботом с отражением усилий от препятствий на пути мобильного робота отраженные усилия искажают усилия человека-оператора на задающем устройстве. Отраженные усилия могут вносить нежелаемые изменения в команды скорости/положения, задаваемые оператором. В результате мобильный робот движется по траектории, отличающейся от желаемой.

Во второй части главы предложен новый алгоритм расчета отражаемых усилий, основанный на одновременном учете расстояния до препятствия и скорости сближения мобильного робота с препятствиями. Предложенный

алгоритм подразумевает пропорциональное изменение коэффициента обратной связи к по силе на основании скорости мобильного робота относительно препятствий в удаленной среде. Если мобильный робот движется с высокой скоростью, то возможность столкновения с препятствиями увеличивается. Поэтому при дистанционном управление мобильным роботом на высоких скоростях важно отражать усилия с большими амплитудами. В большинстве случаев точного дистанционного управления мобильным роботом движения реализуются на малых скоростях. В таких случаях возможность столкновения мобильного робота с препятствиями низкая ввиду малых скоростей движения. Поэтому в системах точного дистанционного управления мобильными роботами при движении на малых скоростях важно ограничивать амплитуды отражаемых усилий для уменьшения влияния системы отражения усилий на точность управления мобильным роботом. Поэтому важно осуществлять регулирование коэффициента обратной связи по силе в зависимости от измеренных расстояний между мобильным роботом и препятствиями, а также в зависимости от скорости сближения или удаления .мобильного робота от препятствий. Следующая формула описывает закон для вычисления переменного коэффициента отражения усилий на основании измеренных расстояния и скорости. Жесткость к в (1) вычисляется на основании расстояний до препятствий г и их производных йг/(И.

{Мшп, ^ > О

-*(Апшх - + *тш , ~7 < | < 0 , (2)

^тах, ¿¡г — 7

где кт1П и ктах - минимальное и максимальное значения коэффициента обратной связи, 7 - контрольное значение скорости мобильного робота относительно препятствий. На рис. 2Ь графически представлена формула (2). Если производная измеренного расстояния между мобильным роботом и препятствием положительная, то это означает, что мобильный робот удаляется от препятствия. В этом случае соответствующее усилие отражается на задающем устройстве с минимальным коэффициентом обратной связи. Если йг/сй меньше —7, то это означает, что мобильный робот приближается к препятствию со скоростью, превышающей 7. Такую ситуацию мы считаем потенциально опасной, и поэтому соответствующее усилие на задающем устройстве будет отражено с максимальным коэффициентом обратной связи. Если значение ¿г/Л лежит в промежутке от —7 до 0, то коэффициент обратной связи будет в прямо пропорциональной зависимости от йг/йЬ.

В третьей главе описана математическая модель системы. Описаны математические модели активного задающего устройства, колесного мобильного робота, человека-оператора, а также описаны функциональные связи между блоками системы дистанционного управления. Проведен ана-

лиз устойчивости построенной математической модели при помощи методов Гурвица, Ляпунова и методом построения фазовых траекторий.

На рис. 3 показаны конфигурации задающего устройства (а) и мобильного робота (Ь). Управляющие сигналы формируются на основании измеренного положения задающего устройства (а;т, гт). На рис. 3(Ь) V - скорость мобильного робота, ф - угол поворота, отчитываемый от фиксированной системы координат. На мобильном роботе помимо датчиков положения на приводах колес, могут быть также установлены системы измерения расстояния от корпуса робота до объектов, окружающих робот. Расстояние до препятствий, измеренное датчиками, пересылается на пульт управления и отображается человеку-оператору посредством отражения силы на активном задающем устройстве. В рассматриваемой системе дистанционного управления мобильным роботом также предполагается наличие видеокамер и мониторов, которые позволяют человеку-оператору получать видеосигналы из удаленной среды.

В системах дистанционного управления мобильными роботами в большинстве случаев используется режим управления по скорости. В данном режиме управления положение задающего устройства определяет желаемую скорость мобильного робота. Такой режим управления кратко описывается следую- Рис. 3: Схема задающего устройства (а) и ЩИМ выражением: мобильного робота (Ь) при дистанционном

Ь)

V

ку

О

(3)

управлении.

где ку и к-и, - коэффициенты масштабирования.

Рассмотрим модель системы дистанционного управления мобильным роботом с отражением усилий на основании измеренного расстояния между роботом и объектами среды. Для начала будем считать коэффициент обратной связи по силе постоянным. В структуре модели имеем три объекта: модель руки человека-оператора, модель активного задающего устройства и модель мобильного робота. Линейная динамика руки человека-оператора, задающего устройства и мобильного робота может быть записана в следующем виде:

{гпн + гпт)хт + (Ьт + Ън)хт + (кт + кк)хт = тн - тп тпгу + Ьгу = кркухт - кру

р агор а' т Y Т* К°ЭффицТУ в™ Ч»«я и упругость руки оператора, тт, Ьт, кт - масса, коэффициент вязкого трения и упругость uZ ханизмов задающего устройства, соответственно- г ™Г„ упруГОСТЬ ме" го устройства; * - сила, вызвашия ™

ила, развиваемая двигателем задающего устройс™^отрГ^ оп^: тору, тг, Ъг - масса, коэффициент вязкого трения мобильного робота Г

Г КоэаГЬНЬ1Й К0ЭФФИЦНСНТ регуЛЯТ°Ра с-Р0с™ мобильно™ pit

Z'oZt T" ПР01ЮР,ГНМЫЮСТН М6ЖДУ положением на задающем устройстве и скоростью мобильного робота; у = г -х +т г„Г.

:о7Р~ь~*- - -——^r '-z^z

,! ' опРеДеляющее зону вокруг препятствия, внутри которой

Введем пространство состояний: У [Th ~ U>'

(

Получим линейную систему

У У У

£ dt

(X1) / 0 1 0 0

_ -Ox -02 -a3ke 0

Хз 0 0 0 1

\X4 J \ i>i 0 0 -64

(5)

(6)

где введены следующие обозначения: щ = > п „, - АД. ^ л

-Ч— >0 6,=Мл>п. _ Ьг+К „ т-+тл ,й2 = > °'«з =

тт+тл ^ и> - >и,Ь4 = -^-Е > 0.

0 < ке < а1М(а2 + б4)(а1+а264)-а]&4)

(а2 + &4)2Й1а3 (7)

сГоТибГ МОбИ™ РОбОТа ^^^^ ГдиУнаРмГ ™Г давления по скорости пренебрежимо мала. Тогда система (6) может быть переписана в виде одного уравнения:

Xm - -a2xm - аххт - а3ке(Го -x0 + kv Jxmdt)

(8)

Введем новое пространство состояний:

О)

•Ет /

Тогда, уравнения состояния динамики системы запишутся в виде:

в, I гЛ ( 0 1 0

О 0 1 ) | 22 ) (Ю)

—азкеку —а \ —аг

Критерий Гурвица определяет следующий диапазон устойчивости для коэффициента ке:

0 <ке<^ (И)

В результате получено два условия устойчивости (7) и (11), определяющих допустимые значения для коэффициента к,,. Однако системы (6) и (10) не являются в полной мере линейными системами, так как отражение усилий происходит только когда мобильный робот находится внутри зоны препятствия согласно определению (1). Поэтому использование метода Гурвица не является абсолютно корректным. Тем не менее полученные условия устойчивости позволяют определить параметры системы, которые непосредственно ограничивают значения коэффициента отражения усилий ке. Согласно (7) и (11), можно сказать, что максимально допустимое значение коэффициента ке пропорционально упругости задающего устройства кт и обратно пропорционально коэффициенту масштабирования ку.

Для более полного исследования устойчивости системы с применением нелинейного позиционно-силового алгоритма (2) использован метод Ляпунова. Для анализа устойчивости будем считать, что препятствия являются стационарными объектами, тогда коэффициент обратной связи будет зависеть только от собственной скорости мобильного робота йхг/<И = йг/Л. Обозначим а = ^ и будем считать ктт — 0, т. е. усилия не будут отражаться в случае, если мобильный робот удаляется от препятствия. Система третьего порядка (10) для переменного коэффициента ке будет записана в виде:

ш I гч= ( ^ ) (12)

\ гз / \ -02^3 - а^г - азакуггг2 / Проинтегрируем ¿3 по времени: г3 = /¿3<Й = -аг-г! — Тогда

система (12) преобразуется в систему второго порядка:

А <Й

С учетом того, что г\ по физическому смыслу является расстоянием от мобильного робота до препятствия, выберем следующую функцию Ляпунова и покажем, что ее производная по времени будет отрицательной независимо от параметров системы:

Отрицательность производной говорит о том, что система (13) является устойчивой по Ляпунову. Для подтверждения полученных аналитических результатов проведено численное исследование моделей методом построения фазовых траекторий. Модель мобильного робота была неподвижна и находилась на расстоянии 1 м от препятствия. Задающее устройство было отклонено на 10 см, что впоследствии приводило мобильный робот в движение в сторону препятствия, в результате чего на задающем устройстве отражались усилия. Во всех случаях были построены семейства фазовых траекторий, которые соответствовали различным коэффициентами обратной связи ке для линейного случая (ке изменялся от 0 до 20 Н/м с шагом 2 Н/м). Для нелинейного случая семейства траекторий соответствовали различным значениям коэффициента а (коэффициент а изменялся от 0 до 7 Нм/с). Для численного построения фазовых траекторий использовались следующие значения параметров: т/, = 2 кг, Ьд = 2 Нс/м, к/, = 10 Н/м, тпт = 1 кг, Ьт = 0.05 Нс/м, кт = 10 Н/м, ку = 0.3 с-1, С8 = 30 Нс/м, та = 20 кг, Ьц = 1 Нс/м, = 7 Н/м, х0ьа = 1.2 м, х^ = 1.1 м, г0 = 1 м.

На рис. 4 показаны семейства траекторий для модели четвертого порядка с постоянным (4а и 46) и переменными (4в и 4г) коэффициентами отражения усилий. Как видно из рис. 4а, в случае постоянного коэффициента ке задающее устройство, имеющее ненулевое начальное положение, возвращается в нулевое положение, в то время как мобильный робот перемещается из начального положения в некоторое положение, вне области активации системы отражения усилий, и в результате удаляется от препятствия (рис. 46). Конечное положение мобильного робота зависит от величины коэффициента ке. Чем больше ке, тем дальше робот удаляется от препятствия, так как большое значение коэффициента ке приводит к большим отклонениям рукоятки задающего устройства, что приводит к большим значениям

у/ 1 2 , «1 2 ,. .

V = + у* + — (14)

(14)

Исследование показало, что система является устойчивой вне зависимости от значения коэффициента обратной связи. Это объясняется тем, что в рассматриваемой системе отражение усилий происходит только в случае, когда мобильный робот находится внутри зоны препятствия. В противном случае движение рукоятки задающего устройства определяется его собственной динамикой (в отсутствии приложенных оператором усилий), а именно задающее устройство возвращается в нулевое положение (I вид л1 наличия упругости и

_ » <« -0» -0-2 С Щ

Положение ЗУ положение ЗУ

1" ■ V У0-2

л 6 0 я Л С 0 о

О-03

и 0.1 3

Положение МР

■0.2 -0.1 ц ип Положение МР

тоения^ ПпТГ""' "ш-,1и,7ГИ и "нл РИС' 4: действа фазовых траекторий 1 рения;, при этом скорость мобиль- для м°Дели четвертого порядка

ного робота стремится к нулю благо-

ЖЯРШ.У .„,„„,у и ШОС1ь системы является направление отон.

^Г™" -звдю"1™ д««». X

,„„К01 —хг™ ~ ■

который представлял собой простейшую модель отслеживания положения робота человеком-оператором. При моделировании использовались следующие значения параметров: тЛ = 2 кг, = 2 Нс/м, /с,, = 10 Н/м, тпт = 1 кг, Ьт = 0.05 Нс/м, ку = 0.3 с-1, С5 = 30 Нс/м, гп$ = 20 кг, Ья = 1 Нс/м, Сл = 7 Н/м, х^ = 1.2 м, х,1еа = 1.1 м, г0 = 0.5 м. Результаты моделирования представлены на рис. 5. В первом случае (к = 0), мобильный робот был перемещен в желаемое положение около препятствия. При этом человек-оператор не получал никакой силовой информации о наличии препятствия на пути робота. Отсутствие такой информации может привести к столкновению мобильного робота с объектами удаленной среды, что может нарушить стабильную работу всей системы в целом. В случае, когда к = 20, человек-оператор получал информацию о приближающемся препятствии на пути мобильного робота посредством воспроизведения соответствующего усилия на активном задающем устройстве. При этом величины отражаемых усилий были слишком велики, что не позволило оператору довести мобильный робот до желаемого положения и поэтому робот остановился в положении около 0.4 м. Аналогичные результаты были получены в случае, когда к = 26, при этом система перешла из устойчивого состояние в неустойчивое состояние. Также были проанализированы физические нагрузки и механическая работа, выполняемая человеком-оператором (мышцами руки). Была вычислена средняя по времени для различных значений коэффициентов обратной связи по силе. Средняя сила составила 1.51 Н для к=0 Н/м, 5.80 Н для А;=20 Н/м и 6.10 Н для к=26 Н/м.

Как видно из результатов моделирования, наличие системы отражения усилий предотвращает столкновение мобильного робота с объектами удаленной среды. Однако, применение систем отражения с высокими коэффициентами отражения усилия сказывается негативно на задачах точного управления положением мобильного робота в удаленных средах с большим количеством препятствий. Человек-оператор не имел возможности поместить мобильный робот в зону около препятствия из-за высокого значения обратной связи по усилию. Основываясь на этом, мы предполагаем, что можно улучшить качество управления положением мобильного робота путем вариации коэффициента обратной связи непосредственно в процессе дистанционного управления (так, как это было предложено выше).

В последней колонке рис. 5 представлены результаты моделирования дистанционного управления мобильным роботом с переменным коэффициентом обратной связи, который вычислялся согласно формуле (2). При моделировании 7 = 2.5 м/с, ктах = 20 Н/м, ктт = о Н/м. Мобильный робот был успешно перемещен в заданное положение удаленного пространства. При приближении мобильного робота к желаемому положению скорость робота уменьшалась, и поэтому по формуле (2) коэффициент обратной свя-

1.2Г

(U

io.il

í 0,4

О 0.0-

i— О

X 9

<T> 6

5 з

Q

Рис. 5: Результаты моделирования дистанционного управления с постоянным и переменным коэффициентом обратной связи по силе.

зи к" уменьшался вместе со скоростью мобильного робота. В результате, человеку-оператору было легче переместить в робот в заданное положение. Средняя сила, развиваемая оператором при переменном коэффициенте, составила 1.70 Н. Механическая работа, затраченная человеком была значительно меньше. Для более полного исследования влияния системы отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи на качество управления были проведены эксперименты по дистанционному управлению мобильным роботом Pioneer 3DX. Управление роботом осуществлялось при помощи активного задающего устройства Phantom Premium 1.5А. Скорость мобильного робота линейно зависела от текущего положения рукоятки задающего устройства. Для измерения расстояния от мобильного робота до препятствий и объектов удаленной среды были использованы шесть ультразвуковых датчиков, закрепленных на по периметру корпуса робота. Следующие значения параметров были использованы во всех экспериментах: ктгп — 0.0001 Н/мм, ктах = 0.02 Н/мм, 7 = 50 мм/с, R0 = 2 м.

Было проведено экспериментальное исследование по дистанционному управлению мобильным роботом, помещенным в ограниченное пространство типа "коридор". Человеку-оператору была поставлена задача перемещения мобильного робота внутри узкого пространства из начальной точки в конечную с минимальным количеством столкновений со стенами коридора. При этом человек-оператор не имел прямой визуальной связи с мобильным роботом, а мог только наблюдать изображение с видеокамеры, установленной на платформе мобильного робота и направленной вперед. Пять человек приняло участие в эксперименте. Каждый оператор осуществлял дистанционное управление роботом при использовании постоянного и предложенного нами переменного коэффициента обратной связи. На рис. 6а и рис. 6Ь представлены измеренные траектории движения мобильного робота при использовании постоянного и переменного коэффициента обратной связи. При сравнении полученных траекторий движения робота видно, что

к=о

к=20

к=26

Переменный козф.

10 15 20 25

I 5 10 15 20 25 Время, с

5 10 15 20 25 Время, с

■ ШПостоянный к. ВреМЯ, С ■Переменный

И О

ОрсМН, С ■ переменный 1С ишпиво, р,

ШкМо!

Ошибка, см

ь.

<1

Рис. 6: Экспериментальные результаты: траектории мобильного робота с постоянным коэффициентом обратной связи по силе (а) и переменным коэффициентом обратной связи по силе (Ь); время на выполнение задачи (с); ошибка позиционирования (¿).

при переменном коэффициенте обратной связи траектории более плавные и гладкие, чем при постоянном коэффициенте. Траектории робота при экспериментах с переменным коэффициентом обратной связи во многом подобны друг другу, в то время как при постоянном коэффициенте траектории были хаотичны и беспорядочны.

В эксперименте в обоих случаях благодаря наличию системы отражения усилий не было зафиксировано столкновений мобильного робота с со стенами коридора. Тем не менее, качество дистанционного управления было значительно лучше при применении переменного коэффициента обратной связи по силе. При управлении с постоянным коэффициентом человеку-оператору отражались большие усилия, так как расстояние между роботом и стенами среды было относительно маленьким. Высокие значения усилий играли роль возмущений при дистанционном управлении, что негативно сказывалось на качестве управления положением мобильного робота. Внезапные усилия, генерируемые задающим устройством, приводили к резкому изменению положению рукоятки устройства, в результате чего резко менялась линейная и угловая скорости мобильного робота. В результате качество дистанционного управления положением робота снижалось. Также было сокращено время, требуемой на перемещение робота (рис. 6с). В экспериментах с переменным коэффициентом отражаемые усилия были пропорциональны модулю скорости мобильного робота. Поэтому на малых скоростях, когда человек-оператор пытался точно управлять положением мобильного робота, усилия, генерируемые задающим устройством, были малы и не играли роль возмущений при дистанционном управлении. В результате точность и качество управления движением робота были улучшены.

Экспериментально была исследована точность управления положением мобильного робота при постоянном и переменном коэффициентах обратной связи по силе. Мобильный робот был помещен в удаленную среду, которая представляла собой ограниченное стенами небольшое пространство. Изображение использованной в эксперименте удаленной среды и мобильного робота представлено на рис. 7а и рис. 7Ь. Человеку-оператору была по-

Рис. 7: Вид экспериментальной установки (а,Ь) и изображения, получаемые с камер мобильного робота (с,с1).

ставлена задача по перемещению объекта, помещенного в среду, в заданное положение (см. рис. 7Ь). Высота объекта была специально выбрана небольшой, для того чтобы ультразвуковые волны, генерируемые датчиками расстояния на корпусе робота не отражались от объекта манипулирования, а не от стен. Таким образом человек-оператор мог перемещать объект в удаленной среде и при этом получать тактильную информацию о расстоянии до стен. В экспериментах человек-оператор не имел прямой визуальной связи с мобильным роботом. Изображение с двух видеокамер транслировалось на пульт управления мобильным роботом. Камеры транслировали общий вид пространства перед мобильным роботом (рис. 7с) и вид пространства непосредственно перед бампером робота (рис. 7(1). В эксперименте принимало участие пять человек, которым была поставлена задача точного перемещения объекта при помощи бампера мобильного робота при использовании системы отражения усилий с постоянным и переменным коэффициентами обратной связи по силе.

В каждом случае по завершению задачи измерялась ошибка позиционирования. На рис. 7<1 показана методика измерения ошибок позиционирования. Результаты измерений представлены на рис. 6(1. Для всех операторов ошибка позиционирования была меньше в случае, когда применялась система отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи по силе. Дистанционное управление было более точным при переменном коэффициенте, так как отраженные человеку-оператору усилия были пропорциональны модулю скорости мобильного робота и поэтому были относительно невысокими по величине.

3 Общие выводы и результаты

1. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача повышения точности и качества управления движением в системах двустороннего действия для дистанционно управляемых мобильных роботов на основе применения канала силовой обратной связи, основанной на совокупном учете скорости мобильного робота и его положения по отношению к

/

объектам внешней среды.

2. Предложена структура робототехнической системы дистанционного управления мобильным роботом, включающей в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании расстояния от мобильного робота до объектов внешней среды. Предложенная структура способствует повышению точности, качества и удобства дистанционного двустороннего управления мобильными роботами.

3. Предложены позиционно-силовые алгоритмы для каналов обратной связи, основанные на вычислении отражаемых человеку-оператору усилий в зависимости от скорости мобильного робота и расстояний от робота до объектов внешней среды. В предложенном алгоритме используется переменный коэффициент силовой обратной связи, пропорциональный скорости сближения мобильного робота с препятствием, что позволяет осуществлять автоматической дозирование усилий, отражаемых человеку-оператору. Построена математическая модель, реализующая преложенный алгоритм, как часть структуры системы двустороннего дистанционного управления мобильным роботом.

4. Повышена точность и качество управления движением дистанционно-управляемых мобильных роботов в недетерминированных средах, характеризуемых повышенной концентрацией внешних объектов и препятствий, за счет дозирования отражаемых человеку-оператору усилий на основании скорости движения мобильного робота.

5. Разработана математическая модель системы в среде МАТЬАВ, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления. Проведен анализ устойчивости системы с каналом обратной связи по силе и определении областей допустимых значений коэффициентов обратной связи для обеспечения стабильной работы системы.

6. При помощи экспериментального исследования выявлены преимущества и недостатки линейного позиционно-силового алгоритма канала обратной связи по силе, и показано, что предложенный нелинейный алгоритм воспроизведения усилий человеку-оператору позволил существенно повысить точность дистанционного управления положением мобильного робота, снизить временные затраты на выполнение задач дистанционного управления и снизить физические нагрузки человека-оператора.

7. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при обучении студентов мехатронике и робототехнике. Разработанный экспериментальный робототехнический комплекс используется для дальнейших исследований систем дистанционного управления.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Фархатдинов И. Г., Подураев Ю. В., Дж.-Х. Ю., Экспериментальное исследование позиционного, скоростного и комбинированного позиционно-скоростного режимов управления в системах дистанционного управления мобильными роботами // Мехатроника, автоматизация, управление, 2010 № 1, с. 70-78.

2. Фархатдинов И. Г., Подураев Ю. В., Экспериментальное исследование дистанционного управления мобильным роботом с применением системы отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи // Вестник МГТУ СТАНКИН, №1, 2011, с. 17-21.

3. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J., A user study of command strategies for mobile robot teleoperation // Journal on Intelligent Service Robotics, Vol

2, Issue 2, 2009.

Публикации в других изданиях: 4. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Improving mobile robot bilateral teleoperation by introducing variable force feedback gain // Proc. of IEEE/RSJ Int. Conference on intelligent robots and systems, 2010, Taiwan.

5. Farkhatdinov I., Ryu J-H., An J., A Preliminary experimental study on haptic teleoperation of mobile robot with variable force feedback gain //In Proc. of IEEE Haptics Symposium 2010, Boston, USA.

6. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Stability analysis of mobile robot teleoperation with variable force feedback gain // Proc. of Eurohaptics 2010, Netherlands, Lecture Notes on Computer Science.

7. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J., Rendering of environmental force feedback in mobile robot teleoperation based on fuzzy logic // Proc. of IEEE Int. conference on Computational Intelligence in Robotics and Automation 2009, Korea.

8. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Switching of Control Signals in Teleoperation Systems: Formalization and Application // Proc. of the 2008 IEEE/ASME Int. Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Xi'an, China.

9. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Poduraev J. Control Strategies and Feedback Information in Mobile Robot Teleoperation // Proc. of the 17th IFAC World Congress 2008, Seoul, Korea.

10. Farkhatdinov I., Ryu J-H., Hybrid position-position and position-speed command strategy for the bilateral teleoperation of a mobile robot // Proc. of IEEE/ICROS Int. conference on Control, Automation and Systems 2007, Seoul, Korea.

Тираж 110 экз. Отпечатано в типографии «КопиМакс» Москва 2011

Актуальность проблемы

Дистанционное управление роботами применяется уже несколько десятков лет. Первые системы дистанционного управления представляли собой манипуляторы с механическим сопряжением, в которых перемещения и усилия передавались при помощи кабелей. Усилия, отражаемые на задающем устройстве, непосредственно передавались человеку-оператору при помощи кабельной системы. Такие системы отличались простотой конструкции, отсутствием электромеханических элементов и не имели проблем с устойчивостью. Копирующие манипуляционные системы с механической передачей перемещений и усилий активно применялись при работе с радиоактивными веществами в атомной и оружейной промышленностях. Недостатками таких 4 систем было наличие сил трения в механических конструкциях и передачах, а также сложность расширения функциональности системы двустороннего действия. Начиная с 1960х и 1970х годов, большое внимание уделяется'разработке копирующих манипуляторов с системами отражения усилий человеку-оператору с электронным управлением. В таких системах передача информации о перемещениях и усилиях осуществляется при помощи электрических сигналов и информационно-управляющих компонент. Перемещения задающего и исполнительного устройств измеряются датчиками положения или скорости. Усилия, возникающие на исполнительном устройстве и отражаемые оператору на задающем устройстве, измерялись при помощи силомоментных датчиков, датчиков тока в электродвигателях исполнительного устройства, либо оценивались при помощи соответствующих алгоритмов. Управление электродвигателями в приводах манипуляторов осуществлялось при помощи электронных систем управления. Впоследствии, аналоговые системы управления были заменены цифровыми системами с компьютерным управлением. Применение электронных и электромеханических компонент позволило создавать манипуляционные системы двустороннего действия с дистанционным управлением, в которых человек-оператор с задающим устройством находится на большом расстоянии от исполнительного манипулятора. С появлением новых типов робототехиических систем и расширением области их применения расширилась область применения дистанционно управляемых роботов. Широкое применение нашло дистанционное управление мобильными робототехническими системами. К мобильным робототехническим системам относят мобильные колесные платформы, манипуляторы, установленные на мобильных платформах, и другие роботы, имеющие неголономные связи.

В данной диссертации представлено исследование о применении систем двустороннего действия с отражением усилий человеку-оператору в системах дистанционного управления мобильными колесными роботами. В отечественной литературе известно множество публикаций, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами.

Основателем научной школы систем двустороннего действия является Кулешов В. С. В работах Кулешова В. С. были впервые описаны методы синтеза систем управления для дистанционно управляемых манипуляторов с возможность отражения усилий [78]. Были предложены режимы управления для обратимых систем, в том числе моментно-скоростной режим управления для копирующих манипуляторов с системой отражения усилий. В данной диссертации моменто-скоростной режим управления берется за основу разработки позиционно-силовой обратной связи для двустороннего дистанционного управления мобильным роботом. Разработки Кулешова В. С. бы-' ли использованы и продолжены в других научных работах. Также большой вклад в исследование и проектирование систем дистанционного управления роботами внесли такие ученые как Попов Е.П., Игнатьев М.Б., Ющенко А.С, Филаретов В. Ф., Кулаков Ф.М., Макаров И.М., Макарычев В. П. и другие.

В работах Попова Е.П., Игнатьева М.Б. и Ющенко А.С были изложены основные принципы и методики разработки систем дистанционного управления роботами-манипуляторами ([76], [77]). Эти работы положили основу научной школе, которая занималась исследованием копирующих систем дистанционного управления двустороннего действия и их применением в различных отраслях промышленности. В работах В. Ф. Филаретова были предложены новые подходы к разработке систем дистанционного управления роботами и их применению при управлении подводными роботами ([79], [80], [81], [82], [83], [84]). В работах Кулакова Ф.М. были предложены алгоритмы супервизорного управления манипуляторами и соответствующие человеко-машинные интерфейсы, основанные на применении современных компьютерных технологий ([99], [102], [100], [101], [103], [104], [105]). В работах Макарова И.М. проведены исследования систем дистанционного управления промышленными роботами ([91], [92], [93], [94], [95]). В работах Макарычева В. П. были показаны применения систем дистанционного управления космическими роботами-манипуляторами ([97], [98]).

Известно большое число отечественных публикаций по системам управления движением мобильных роботов. Среди них важно отметить работы Охоцимского Д.Е., Девянина Е.А., Мартыненко Ю.Г., Пряничникова В. Е., Подураева Ю.В. ([71], [72], [73], [74], [75], [107], [85], [86], [87]).

Однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционному управлению мобильными роботами с применением систем двустороннего действия. Поэтому важным предметом для исследования является построение методик разработки систем отражения усилий для дистанционного управления мобильными роботами. Дистанционное управление мобильными роботами находит свое применение во многих отраслях экономики: исследование космического пространства и планет, подводные технологические работы и операции, военная и разведывательная мобильная техника, подземные работы, спасательные операции.

С бурным развитием компьютерных сетей и мультимедийных технологий дистанционное управление мобильными роботами начинает активно применяться в повседневной жизни: в офисных зданиях, в медицинских и образовательных учреждениях. Применение систем отражения усилий для дистанционного управления мобильными роботами может существенно повысить качество управления и обеспечить человека-оператора удобным интерфейсом взаимодействия с роботом. Целью применения силовых человеко-машинных интерфейсов в системах дистанционного управления мобильными роботами является повышение информированности человека-оператора о состоянии внешней среды и мобильной робототехнической системы, улучшение эргономики процесса управления и повышения качества выполнения поставленных задач. Человек-оператор должен обладать достаточным объемом информации для успешного выполнения запланированных работ, при этом важно не перегружать человека избыточными либо не актуальными потоками данных, так как это может привести к повышенной утомляемости и усталости, что может повлечь за собой ошибки при задачи команд управления движением робота. Однако, экспериментальные исследования

47] показали, что в некоторых случаях применение систем двустороннего действия при дистанционном управлении мобильным роботом снижает точность управления положением робота. Поэтому актуальной задачей является модификация известных методов вычисления и передачи усилий в системах двустороннего действия при дистанционном управленнии мобильными роботами.

В системах дистанционного управления человек напрямую управляет роботом посредством изменения положения и/или ориентации рукоятки задающего устройства (джойстика). Человек-оператор является источником и i инициатором движения. В большинстве систем управляемый робот копирует движение задающего устройства, при этом развиваемые скорость и усилия соответствуют скорости и усилию на задающем устройстве с учетом масштабирования рабочего пространства робота и человека-оператора.

Первая дистанционно-управляемая система применялась для работы с радиоактивными веществами. Система включала в себя два манипулятора, связанных друг с другом прямыми механическими передачами. Непосредственное механическое соединение звеньев задающего и исполнительного устройств позволяло передавать усилия от контакта с объектами человеку-оператору. С современной точки зрения подобная система является достаточно примитивной, однако благодаря простоте и надежности такие манипуляторы применяются и в настоящее время.

Одна из первых робототехнических систем с дистанционным компьютерным управлением была разработана в 1983 году в США. Задающее устройство и исполнительный манипулятор имели разную кинематическую конфигурацию. Задающий манипулятор имел шесть степеней подвижности и был специально сконструирован для человеческой руки. Промышленный робот PUMA 560 был использован в качестве исполнительного робота. Исполнительный орган был оснащен силомоментным датчиком, сигналы которого передавались на контроллер задающего робота. Это позволяло приводам задающего устройства отражать соответствующие усилия человеку-оператору. Таким образом, человек-оператор имел ощущение непосредственного контакта с объектом манипуляций.

Дистанционное управление применяется не только к манипуляторам, но и к мобильным роботам. Мобильные роботы имеют неограниченную рабочую зону, поэтому они больше подходят к решению задач, в которых требуется совершать работу в большом пространстве. Одним из первых применений дистанционно-управляемого мобильного робота было исследование Луны. В 1970 году СССР осуществил запуск первого лунохода с целью проведения исследования спутника Земли. Мобильная система дистанционно управлялась с Земли более одного года.

Сегодня область применения роботов значительно расширяется. Современные дистанционно управляемые робототехнические системы применяются в системах безопасности, на транспорте и в логистике, промышленности, для исследования удаленных и опасных сред. Современные мультимедийные технологии позволяют инженерам и исследователям разрабатывать все более сложные человеко-машинные интерфейсы, которые способны передавать человеку-оператору информацию об управляемом роботе в различных формах.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является повышение точности и качества управления движением дистанционно управляемых мобильных роботов при выполнении операций в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ специфики операций и формирование требований к системе дистанционного управления мобильным роботом в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

2. Разработка позициоино-силовых алгоритмов для канала обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

3. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования.

4. Экспериментальное исследование позиционно-силовых алгоритмов в канале обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

План диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе кратко описывается система дистанционного управления мобильным роботом и приводится обзор человеко-машинных интерфейсов, применяемых в системах дистанционного управления мобильными роботами. Целью обзора литературы является ознакомление с известными человеко-машинными интерфейсами и их ролью в системах дистанционного управления мобильными роботами. Формулируются требования к разработке алгоритмов для силовых человеко-машинных интерфейсов.

Выводы по главе. В главе представлена общая структурная схема системы дистанционного управления мобильного робота с каналом силовой обратной связи с применением предложенного позиционно-силового алгоритма. Построены математические модели, описывающие динамическое поведение системы с линейной и нелинейной моделями силовой обратной связью. Анализ устойчивости выявил зависимость величины коэффициента обратной связи от другими параметрами системы. Для нелинейной модели анализ устойчивости проведен методом функций Ляпунова и методом построения фазовых траекторий.

4 Экспериментальное исследование

4.1 Экспериментальная установка

Для исследования влияния позиционпо-силовых алгоритмов для канала обратной связи по силе на качество выполнения задач при дистанционном управление мобильным роботом была разработана экспериментальная установка и с ее помощью проведен ряд экспериментов. Человек-оператор управлял мобильным роботом посредством изменения положения активного задающего устройства. Настольный манипулятор Phantom Premium 1.5А [58] был использован в качестве активного задающего устройства. Две линейные степени свободы в горизонтальной плоскости использовались для управления линейной и угловой скоростями мобильного робота (см. рис. 7). Двух-позициоиный переключатель на рукоятке манипулятора использовался для переключения между режимами управления. Задающего устройство было подключено к персональному компьютеру с управляющей программой, обеспечивающей формирование сигналов управления для мобильного робота. Алгоритм и структура управляющей программы подробно описаны в [43]. Для обмена управляющими и информационными сигналами между компьютером использовались TCP/IP протокол и беспроводная компьютерная сеть, построенная на оборудовании компании 3COM. В^ качестве мобильного робота была использована мобильная платформа с бортовым компьютером Pioneer 3DX от компании Activmediä' [59].

Для отображения текстовой и графической информации использовался видеомонитор и специально разработанное программное обеспечение. При помощи текста отображалась численная информация о состоянии мобильного робота; в графическом виде отображались видеосигналы с камер, установленных на мобильном роботе. Инфракрасные датчики расстояния, установленные на корпусе мобильного робота, измеряли расстояние до объектов лена задача по перемещению мобильного робота из "комнаты 1"в "комнату 2 после чего было необходимо при помощи бампера мобильного робота осуществить перенос "объекта 1"и "объекта 2"в заранее определенное желаемые положения, которые были визуально отмечены на полу. На рис. 21 показан мобильный робот после выполнения задачи (а) и способ измерения точности позиционирования объектов (Ь). Сначала измерялись расстояния а, Ь, с и с1, после чего вычислялась средняя ошибка: е = а + Ь + с + а (43)

Величина ошибки позволяла численно оценить точность системы дистанционного управления мобильного робота, а время, требуемое на выполнение задачи, позволяло оценить производительность системы.

4.2.3 О роли системы отражения усилий

В эксперименте позиционирования мобильного робота система отражения усилий применялась для передачи человеку-оператору информации о наличии препятствий на пути робота. Критичным было использование системы отражения усилий при позиционном режиме дистанционного управления. По мере приближения мобильного робота к желаемому положению и препятствию на задающем устройстве воспроизводилась сила, предупреждающая человека-оператора о наличие постороннего объекта на пути мобильного робота. Большое значение коэффициента масштабирования являлось причиной высокой чувствительности мобильного робота к небольшим изменениям положения задающего устройства. Поэтому усилия, воспроизводимые на задающем устройстве, вызывали колебания положения мобильного робота, что существенно снижало точность системы дистанционного управления. Такое же снижение точности наблюдалось при комбинированном режиме

Рис. 20: Карта внешней среды и схема задания для эксперимента

Рис. 21: Мобильный робот после выполнения задачи (а) и схема измерения ошибки (Ь) о приближающемся препятствии на пути мобильного робота посредством воспроизведения соответствующего усилия на активном задающем устройстве. При этом величины отражаемых усилий были слишком велики, что не позволило оператору довести мобильный робот до желаемого положения и поэтому робот остановился в положении около 0.4 м. Аналогичные результаты были получены в случае, когда к = 26, при этом система перешла из устойчивого состояние в неустойчивое состояние.

Также были проанализированы физические нагрузки и механическая работа, выполняемая человеком-оператором (мышцами руки). Была вычислена средняя по времени для различных значений коэффициентов обратной связи по силе. Средняя сила составила 1.51 Н для к=0 Н/м, 5.80 Н для А;=20 Н/м и 6.10 Н для к=26 Н/м. Дополнительно, была исследована механическая энергия, затраченная оператором при дистанционном управлении мобильным роботом. Графики изменения энергии во времени представлены на рис. 22 (третий ряд). Энергия, затраченная человеком-оператором была выше в случаях больших коэффициентов обратной связи.

Как видно из результатов моделирования, наличие системы отражения усилий предотвращает столкновение мобильного робота с объектами внешней среды. Однако применение систем отражения с высокими коэффициентами отражения усилия сказывается негативно на задачах точного управления положением мобильного робота в удаленных средах с большим количеством препятствий. Человек-оператор не имел возможности поместить мобильный робот в зону около препятствия из-за высокого значения обратной связи по усилию. Основываясь на этом, мы предполагаем, что можно улучшить качество управления положением мобильного робота путем вариации коэффициента обратной связи непосредственно в процессе дистанционного управления (так, как это было предложено выше).

На рис. 23 представлены результаты моделирования дистанционного управциента обратной связи по силе. При управлении с постоянным коэффициентом человеку-оператору отражались большие усилия, так как расстояние между роботом и стенами среды было относительно маленьким. Высокие значения усилий играли роль возмущений при дистанционном управлении, что негативно сказывалось на качестве управления положением мобильного робота. Внезапные усилия, генерируемые задающим устройством, приводили к резкому изменению положению рукоятки устройства, в результате чего резко менялась линейная и угловая скорости мобильного робота. В результате качество дистанционного управления положением робота снижалось.

В экспериментах с переменным коэффициентом отражаемые усилия были пропорциональны модулю скорости мобильного робота. Поэтому на малых скоростях, когда человек-оператор пытался точно управлять положением мобильного робота, усилия, генерируемые задающим устройством, были малы и не играли роль возмущений при дистанционном управлении. В результате точность и качество управления движением робота были улучшены.

4.5.2 Перемещение объектов в среде с препятствиями

Экспериментально была исследована точность управления положением мобильного робота при постоянном и переменном коэффициентах обратной связи по силе. Мобильный робот был помещен во внешнюю среду, которая представляла собой ограниченное стенами небольшое пространство. Изображение использованной в эксперименте внешней среды и мобильного робота представлено на рис. 33(а) и рис. 33(Ь). Расстояние от стен до корпуса мобильного робота в среднем не превышало 50 см. Человеку-оператору была поставлена задача по перемещению объекта (небольшой параллелепипед), помещенного в среду, в заданное положение (см. рис. 33(Ь)). Высота объекта была специально выбрана небольшой, для того чтобы ультразвуковые волны, генерируемые датчиками расстояния на корпусе робота, не отражались от объекта манипулирования, а от стерт. Таким образом человек-оператор мог перемещать объект во внешней среде и при этом получать тактильную информацию о расстоянии до стен. В экспериментах человек-оператор не имел прямой визуальной связи с мобильным роботом. Изображение с двух видеокамер транслировалось на пульт управления мобильным роботом. Камеры транслировали общий вид пространства перед мобильным роботом (рис. 33(с)) и вид пространства непосредственно перед бампером робота (рис. 33(с1)). В эксперименте принимало участие пять человек. Участникам эксперимента была поставлена задача как можно точнее переместить объект при помощи бампера мобильного робота при использовании системы отражения усилий с постоянным и переменным коэффициентами обратной связи по силе. Время на выполнение задачи было ограничено в каждой попытке и составляло 60 секунд.

В каждом случае по завершению задачи измерялась ошибка позиционирования. На рис. 29(Ь) и рис. 33(с1) показана схема измерения ошибок позиционирования а и 6. В отчет о результатах эксперимента записывалось

1. Sheridan Т. Telerobotics, automation and human supervisory control. MIT Press, Cambridge, MA, 1992.

2. Goradia A., Xi N., Elhaj I. H. Internet based robots: applications, impacts, challenges and future // 2005 IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts.

3. Sekmen A. S., Wilkes M., Goldman S. R., Zein-Sabatto S. Exploring importance of location and prior knowledge of environment on mobile robot control // International Journal of Human-Computer Studies, Volume 58, Issue 1, January 2003, Pages 5-20.

4. Olivares R., Zhou C., Bodenheimer В., Adams J. A. Interface evaluation for mobile robot teleoperation // ACMSE 2003, March 7-8, Savannah, GA.

5. B. Hine, P. Hontalas, T. Fong, L. Piguet, E. Nygren, A. Kline, VEVI: A Virtual Environment Teleoperations Interface for Planetary Exploration, // SAE 25th International Conference on Environmental Systems, San Diego, CA, July 1995.

6. R. Meier, T. Fong, C. Thorpe, C. Baur, A sensor fusion based user interface for vehicle teleoperation //In International conference on field and service robotics (FSR), 1999.

7. A. Nguyen, M. Bualat, L.J. Edwards, L. Flueckiger, C. Neveu,K. Schwehr,M.D. Wagner,E. Zbinden, Virtual reality interfaces for visualization and control of remote vehicles // Autonomous robots 11, 59-68, 2001.

8. T. Sawaragi, T. Shiose, G. Akashi, Foundations for designing an ecological interface for mobile robot teleoperation. // Robotics and Autonomous Systems 31 (2000) 193-207

9. K. Vicente, J. Rasmussen, The ecology of human-machine systems II: mediating direct perception in complex work domain // Ecology and Psychology 2 (3) (1990) 207-249.

10. V. Brujic-Okretic, J-Y Guillemaut, LJ Hitchin, M Michielen, GA Parker, Remote vehicle manoeuvring using augmented reality // International Conference on Visual Information Engineering, 2003.

11. M. A. Goodrich, R. J. Rupper, C. W. Nielsen, Perceiving head, shoulders, eyes and toes in augmented virtuality interfaces for mobile robots // 2005 IEEE International Workshop on Robots and Human Interactive Communication.

12. C.W. Nielsen; M.A. Goodrich; R.W. Ricks, Ecological interfaces for improving mobile robot teleoperation // IEEE T. on Robotics, 23(5):927-941, 2007.

13. C. W. Nielsen, M. A. Goodrich, Comparing the usefulness of video and map information in navigation tasks // HRI'06 March2-4, 2006, Salt Lake City, Utah, USA.

14. H. K. Keskinpala, J. A. Adams, K. Kawamura, PDA-based human-robotic interface // Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man & Cybernetics, The Hague, Netherlands, 10-13 October 2004.

15. J. A. Adams, H. Kaymaz-Keskinpala, Analysis of perceived workload when using a PDA for mobile robot teleoperation // Proc. of the International Conference on Robotics and Automation 2004.

16. G. Clement, R. Fournier, P. Gravez, J. Morillon, Computer aided teleoperation: from arm to vehicle control // Proc. of the IEEE Intl. Conf. on Robotics and Automation. Vol.1.

17. Sun-Gi Hong, Byung Soo Kim, Seungho Kim and Ju-Jang Lee, Artificial force refection control for teleoperated mobile robots // Mechatronics, Vol. 8, No.6, pp. 707-717, Aug. 1998.

18. N. Diolaiti, C. Melchiorri, Tele-Operation of a Mobile Robot Through Haptic Feedback // IEEE Int. Workshop on Haptic Virtual Environments and Their Applications, Ottawa, Ontario, Canada, 17-18 November 2002.

19. S. Lee, G. S. Sukhatme, G. J. Kim, C.-M. Park, Haptic control of a mobile robot: A user study // Proc. of IEEE/RSJ IROS 2002, Lausanne, Switzerland, October 2002.

20. S. Lee, G. S. Sukhatme, G. J. Kim, and C-M. Park, Haptic Control of a Mobile Robot: A User Study //In Presence, Vol. 14, No. 3, pp. 345-365, Jun 2005.

21. J. N. Lim, J. P. Ko, and J. M. Lee, Internet-based Teleoperation of a Mobile Robot with Force-reflection // CCA 2003, Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications, Istanbul, TURKEY, June 23-25, 2003 vol.l pp.680-685.

22. J-P. Ko, J-M. Lee, Tactile tele-operation of a mobile robot with a collision vector // Robotica (2006), 24:1:11-21.

23. W-t. Lo, Y. Liu, I. H. Elhajj, N. Xi, Y. Wang, and T. Fukuda, Cooperative Teleoperation of a Multirobot System With Force Reflection via Internet // IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 9, NO. 4, DECEMBER 2004.

24. O. J. Rosch, K. Schilling, H. Roth, Haptic interfaces for the remote control of mobile robots // Control Engineering Practice 10 (2002), 1309-1313.

25. D. Lee, O. Martinez-Palafox, and M. W. Spong, Bilateral Teleoperation of a Wheeled Mobile Robot over Delayed Communication Network // Proc. of IEEE Int. Conference on Robotics U Automation 2006.

26. J. Mullins, B. Horan, M. Fielding, S. Nahavandi, A Haptically Enabled Low-Cost Reconnaissance Platform for Law Enforcement // Proceedings of the 2007 IEEE International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics Rome, Italy, September 2007.

27. C.H. Park, A. Howard, Vision-based Force Guidance for Improved Human Performance in a Teleoperative Manipulation System // Proc. IEEE/RSJ IROS, San Diego, CA, Oct. 2007

28. B. Horan, Z. Najdovski and S. Nahavandi, Exploiting ungrounded tactile haptic displays for bobile robotic teleoperation // Proceedings of the World

29. Automation Congress '08, pp. 1-6, IEEE, Piscataway, N.J.

30. B. Horan, Z. Najdovski, S. Nahavandi and E. Tunstel, 3D Virtual Haptic Cone for Intuitive Vehicle Motion Control // IEEE Symposium on 3D User Interfaces 2008, 8-9 March, Reno, Nevada, USA.

31. В. Horan, S. Nahavandi, Intuitive Haptic Control Surface for Mobile Robot Motion Control // Proceedings of the 2008 IEEE International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics, Sendai, Japan, October 2008.

32. Horan, В., Najdovski, Z., Nahavandi, S. and Tunstel, E. Haptic control methodologies for telerobotic stair traversal // The international journal of intelligent control and systems, vol. 13, no. 1, pp. 3-14, Westing Publishing, Fremont, USA, 2008.

33. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, Hybrid position-position and position-speed command strategy for the bilateral teleoperation of a mobile robot // International Conference on Control, Automation and Systems 2007, Oct. 17-20, 2007, COEX, Seoul, Korea.

34. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, Switching of Control Signals in Teleoperation Systems: Formalization and Application / / Proceedings of the 2008 IEEE/ASME ' International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, July 2- 5, 2008, Xi'an, China.

35. I. Farkhatdinov, J.-H. Ryu, Poduraev J. Control Strategies and Feedback Information in Mobile Robot Teleoperation // 17th IFAC World Congress 2008, Seoul, Korea.

36. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, J. Poduraev, A user study of command strategies for mobile robot teleoperation // J. on Intelligent Service Robotics, Volume 2, Issue 2 (2009), Page 95.

37. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, J. Poduraev, Rendering of Environmental Force Feedback in Mobile Robot Teleoperation based on Fuzzy Logic // Proc. of IEEE CIRA 2009, Daejon, Korea, December 2009.

38. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, J. An, A Preliminary Experimental Study on Haptic Teleoperation of Mobile Robot with Variable Force Feedback Gain // In Proc. of IEEE Haptics Symposium 2010, March 24-25, Waltham, Boston, USA.

39. I. Farkhatdinov, J-H. Ryu, Stability Analysis of Mobile Robot Teleoperation with Variable Force Feedback Gain // Proc. of Eurohaptics 2010, Amsterdam, Netherlands, July 2010, Lecture notes on Computer Science, Eurohaptics 2010, Springer.

40. Фархатдинов И. Г., Подураев Ю. В., Экспериментальное исследование дистанционного управления мобильным роботом с применением системы отражения усилий с переменным коэффициентом обратной связи // Вестник МГТУ СТАНКИН, №6, 2011.

41. Н. Tappeiner, S. Skaff, Т. Szabo, R. Hollis, Remote Haptic Feedback from a Dynamic Running Machine // 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe International Conference Center, Kobe, Japan, May 12-17, 2009.

42. Earon E.J.P., Barfoot T.D., D'Eleuterio G.M.T. Development of a multiagent robotic system with application to space exploration //In

43. Proceedings of the 2001 IEEE/ASME international conference on advanced intelligent mechatronics, vol 2, pp 1267-1272

44. Blitch LTC. Semi-autonomous tactical robots for urban operations //In Proceedings of the 1998 IEEE international symposium on intelligent systems and semiotics (ISAS), pp 783-794.

45. Ermolov I.L., Levenkov A.V., Poduraev J.V., Choi S.J. Internet controlof mobile robots for pipe inspection/repair //In Proceedings of the 4thiinternational workshop on computer science and information technologies, 18-20 September 2002.

46. Cozman F., Krotkov E., Automatic mountain detection and pose estimation for teleoperation of lunar rovers // Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol.3, no!,', pp.24522457 vol.3, 20-25 Apr 1997.

47. I. Elhajj,N. Xi, W. K. Fung, Y. H. Liu, W. J. Li, T. Kaga, and T. Fukuda, Haptic information in internet-based teleoperation // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, September 2001.

48. T. Fong, C. Thorpe, and C. Bauer. Advanced interfaces for vehicle teleoperation: Collaborative control, sensor fusion displays, and remote driving tools, // Autonomous Robots, ll(l):77-85, 2001.

49. N. Diolaiti and C. Melchiorri. Haptic teleoperation of a mobile robot //In Proceedings of the 7th IFAC Symposium of Robot Control, pages 2798-2805, 2003.

50. P. Richard, P. Coiffet, Human perceptual issues in virtual environments: sensory substitution and information redundancy //In Proc. of IEEE Int. Workshop on Robot and Human Communication, 1995.

51. D. B. Kaber, M. C. Wright, M. A. Sheik-Nainar, Investigation of multimodal interface features for adaptive automation of a human-robot system // Int. Journal of Human-Computer Studies, vol.64 2006.

52. Jijun Wang, Michael Lewis, and Stephen Hughes. Gravity-Referenced Attitude Display for Teleoperation of Mobile Robots // Proceedings of Human Factors and Ergonomics Society, 48th annual meeting, 2004.

53. Park, J.B. Lee, B.H. Kim, M.S. Remote control of a mobile robot using distance-based reflective force // IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2003, Proceedings, Volume: 3, pp. 3415- 3420 vol.3.

54. Gi-Hun Yang, Dongseok Ryu, Sungchul Kang. Vibrotactile display for handheld input device providing spatial and directional information //In Proc. of 3rd World Haptics 2009, page(s): 79 84, March 2009, Utah, USA.

55. K. H. Eberhard Kroemer, Human strength: terminology, measurement, and interpretation of data // Human factors, 1970, 12(3), 297-313.

56. Goodrich, M.A.; Boer, E.R.; Inoue, H. A model of human brake initiation behavior with implications for ACC design // Intelligent Transportation Systems, 1999. Proceedings. 1999 IEEE/IEEJ/JSAI International Conference on , vol., no., pp.86-91, 1999.

57. J-H. Ryu, С. Preusche, Stable bilateral control of teleoperators under time-varying communication delay: time domain passivity approach, in Proc. of IEEE ICRA 2007.

58. Devjanin E.A., Budanov V.M. Motion Control for the Six-Legged Walking Machine // Proc. Euromech 375 'Biology and Technology of Walking'. Munich, Germany. 1998.

59. Буданов В.M., Девянин Е.А. О движении колесных роботов // ПММ. 2003. Т.67. Вып.2. С.244.255.

60. Охоцимский Д.Е., Мартыненко Ю.Г. Новые задачи динамики и управления движением мобильных колесных роботов // Успехи механики. 2003. №1. С.3.46.

61. Мартыненко Ю.Г. Проблемы управления и динамики мобильных роботов // Новости искусственного интеллекта. 2002. №4 (52). С.18.23.

62. Девянин Е.А., Охоцимский Д.Е., Боровин Г.К., Буданов В.М., Лапшин В.В., Ленский А.В., Платонов А.К. Организация движения мобильных роботов по сложной местности // Информационный бюллетень РФФИ. 1996. Т. 4. № 1. С. 598.

63. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы /Под ред. Попова Е.П. и Игнатьева М.Б. -М.: Мир, 1976. -462 с.

64. Попов Е.П., Кулешов В. С., Ющенко А.С. Методы повышения эффективности биотехнических и интерактивных систем управления манипуляторами // Научные проблемы робототехники. -М.: Наука, 1980. С. 61-68.

65. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы. Москва: Машиностроение, 1986.

66. Филаретов В.Ф., Кихней Г.П., Юрчик Ф.Д. Об одном способе телеуправления манипулятором // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1992. № 3. С. 94.

67. Филаретов В.Ф., Кихней Г.П., Юрчик Ф.Д. Способ полуавтоматического телеуправления манипулятором // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1995. JY2 1-2. С. 79.

68. Филаретов В.Ф., Алексеев Ю.К., Лебедев A.B. Системы управления подводными роботами. М.: Круглый год, 2000. - 288 с.

69. Филаретов В.Ф., Юхимец Д.А. Высокоскоростной автономный подводный робот с одним маршевым движителем // Информационно измерительные и управляющие системы. 2005. № 11.

70. Филаретов В.Ф., Лебедев A.B., Юхимец Д.А. Устройства и системы управления подводных роботов // М.: Наука. 2005. 270 с.

71. Филаретов В.Ф., Бобков В.А., Юхимец Д.А., Мельман С.В., Борисов Ю.С. Программный комплекс моделирования пространственного движения автономного подводного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 1. С. 8-13.

72. Баранов Д.Н., Ермолов И:Л., Плешаков Р.В., Подураев Ю.В. Повышение автономности мобильного робота "Вездеход-ТМЗ"на основе бортовой системы навигации // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 5. С. 49-54.

73. Ермолов И. Л., Иерархическое комплексирование данных в мобильной робототехнике : робототехнические системы // Мехатроника, автоматизация, управление, 2008. N 9. - С. 48-53

74. И. JI. Ермолов, В. Н. Никитин, С. А. Собольников. Интерактивный тренажер для операторов мобильных роботов с элементами актуальной адаптации // Мехатроника, Автоматизация, Управление №9, 2010.

75. Афонин В. Л. Интеллектуальные робототехнические системы // Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2005.

76. Бейчи А.К. Телеуправление манипуляторами // Справочник по промышленной робототехнике / Под ред. Ш. Нофа. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Машиностроение, 1989, с. 272-283. ISBN 5-217-00614-5.

77. Sheridan T., Ferell W. Human Control of Remote Computer-Manipulators // Proc. Inst. Intern. Congress on Art. Int. Washington, 1969.

78. Макаров И.M. и др. Управление робототехническими системами и их очувствление. М.: Наука, 1983. - 240 с.

79. Макаров И.М., Чиганова В.А. Управляющие системы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.

80. Макаров И.М., Попов Е.П. Системы очувствления промышленных роботов и гибких производственных систем: Сборник научных трудов. М.: Наука, 1989. - 144 с.

81. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько C.B., Романов М.П., Белькович A.A., Гарцеев И.Б., Киор C.B. Дистанционное управление сложными динамическими объектами на основе современных сетевых технологий Часть I // Микросистемная техника. 2002. № 5. С. 16-21.

82. И.М. Макаров, В.М. Лохин, C.B. Манько, М.П. Романов, Система дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике на базе современных информационных технологий // Educational Technology &; Society 7(3) 2004

83. В.П. Макарычев. Использование интеллектуальных технологий при построении траекторий роботов в среде с препятствиями // Искусственный Интеллект, № 3, 2004 г., стр. 742-751.

84. Макарычев В. П. Разработка и исследование систем супервизорного управления космическими манипуляторами // диссертация кандидата технических наук : 05.02.05 Санкт-Петербург, 2005 - 203 е.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/212.

85. Макарычев В.П., Юревич Е.И. Супервизорное управление космическими манипуляторами. СПб.: Астерион, 2005. - 108 с.

86. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. -JI. : Машиностроение, 1972.-248 с.

87. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными роботами. -М.: Наука, 1980. -448 с.

88. Кулаков Ф.М., Липатов А.Е., Макарова Г.В., Наумов В.В., Соловьев А.Е., Ягудина З.А. Разработка методов предикативного супервизорного управления роботами // Информационный бюллетень РФФИ. 1996. Т. 4. № 1. С. 534

89. Кулаков Ф.М. Методы кинестетического взаимодействия рук человека с виртуальными объектами // Известия РАН. Теория и системы управления, 2005.

90. Чернакова С.Э., Кулаков Ф.М., Нечаев А.И. Обучение робота меходом показа е использованием «очувствленной» перчатки // Труды Первой международной конференции по Мехатронике и Робототехнике, СПб 29 мая 2 июня 2000 г., С. 155-164.

91. Петухов A.C., Рачков М.Ю., Петухов C.B. Применение алгоритмов постобработки сжатых изображений при дистанционном управлении мобильными роботами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 1. С. 74-81.

92. Пряничников В.Е. Алгоритмическое обеспечение дистанционных сенсоров мобильных роботов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 10. С. 38-43.