автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование исполнительного механизма с электрогидравлическими приводами для системы управления движением двуногого шагающего робота



ии^4Э0189

На правах рукописи УДК 004.896 :621.865.8-8

Кулаков Дмитрий Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА С ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ДВУНОГОГО ШАГАЮЩЕГО РОБОТА

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003490189

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ковальчук Александр Кондратьевнч

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Зенкевич Станислав Леонидович

кандидат технических наук, доцент Трипольский Павел Эдуардович

Ведущая организация: ОАО «ЦНИТИ»

Защита диссертации состоится 19 января 2010 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана, по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат разослан декабря 2009 г.

Учёный секретарь /

диссертационного совета ^¿.^в&Ок'т-н-> доцент Иванов В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. С каждым годом в мире возникает все больше ситуаций, требующих от людей выполнения самых разнообразных работ в тяжелых, опасных, а подчас и несовместимых с жизнью условиях. Причем, чаще всего все это происходит в зданиях и различных сооружениях, в помещениях и в кабинах различной техники, т.е. в условиях, изначально созданных для человека, с учетом его типичных размеров, массы, двурукости, двуногости и кинематики тела. По этой причине, для выполнения таких работ наиболее целесообразным представляется использование робототехнического комплекса, включающего в себя антропоморфные двуногие шагающие роботы (ДШР). В настоящее время появляется всё больше сообщений из разных стран мира об очередных разработках ДШР. Проводимые работы нацелены на создание группы автономных ДШР, представляющих собой единую команду, самостоятельно решающую поставленные перед ней задачи. Среди работ по данной тематике, проводимых в нашей стране, можно выделить работы Белецкого В.В., Охоцимского Д.Е., Формальского A.M. и их коллег.

При проектировании ДШР большое значение имеет выбор исполнительных приводов. На ДШР с электроприводами могут использоваться: линейный электропривод, электропривод с планетарным редуктором, электропривод с волновым редуктором. В силу своих массогабаритных характеристик линейные приводы не позволяют реализовывать необходимые диапазоны изменений всех обобщённых координат. Электроприводы с редукторами имеют большие люфты, значительный вес и малую удельную энергоёмкость. Как показал проведённый анализ, для создания ДШР с массогабаритными параметрами человека и с учётом массы переносимого груза наиболее приемлемым является применение гидропривода. Он обладает большей энергоёмкостью, лучшими динамическими характеристиками и возможностью работать без применения редукторов в области малых изменений обобщённых координат, обеспечивая большие скорости их изменения, необходимые для движения ДШР в режиме динамической ходьбы, т.е. движения с учётом инерционных свойств механизма при ходьбе ДШР.

В результате можно констатировать целесообразность проведения исследований движения ДШР, оснащённого электрогидравлическими приводами, как наиболее перспективного антропоморфного робота с точки зрения удельной энергоёмкости. Разработка и исследование исполнительного механизма с электрогидравлическими следящими приводами для системы управления движением двуногого шагающего робота актуальна и является важной научно-технической задачей.

Цель работы. - создание исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами.

Научные задачи:

1. Формирование математической модели исполнительного механизма ДШР.

2. Определение структуры и параметров ЭГСП исполнительного механизма ДШР.

3. Определение законов управления исполнительным механизмом ДШР с ЭГСП, обеспечивающего реализуемую траекторию с минимальными моментами на стопах.

4. Разработка структуры и алгоритмов системы стабилизации движения ДШР с ЭГСП, обеспечивающей его движение по горизонтальной плоскости.

5. Разработка программного комплекса и исследование движения ДШР, . оснащённого ЭГСП.

Объект исследования - двуногие шагающие роботы оснащённые ЭГСП, замкнутыми обратными связями по положению.

Методы исследования. При решении указанных задач в работе используются методы: теоретической механики, теории графов, теории матриц, математического моделирования электрогидравлических приводов, теории автоматического управления, экспериментального исследования объектов управления, оснащённых ЭГСП.

Научная новизна. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие новые научные результаты:

1. Уравнение движения исполнительных механизмов роботов, имеющих древовидные кинематические структуры с голономными связями в сочленениях.

, 2. Математическая модель исполнительного механизма ДШР, учитывающая особенности, обусловленные существенными нелинейностями исполнительного механизма с ЭГСП.

3. Представление траектории движения исполнительного механизма ДШР в виде комбинации гармонических функций, описывающих изменения переменных состояния в декартовом пространстве, что позволяет производить синтез управления движением с использованием разработанной математической модели исполнительного механизма с ЭГСП.

4. Структура и алгоритмы системы стабилизации, которые обеспечивают требуемые изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР с ЭГСП, путём управления моментами на стопах.

Достоверность результатов. Научные положения и выводы, представленные в работе, обоснованы результатами теоретических и экспериментальных исследований. При математическом моделировании ДШР с ЭГСП использовались современные программные комплексы.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментами, проведёнными с использованием современных средств измерения и обработки данных.

Практическая ценность работы состоит в следующем;

1. Полученное уравнение движения исполнительных механизмов роботов может быть использовано для составления математических моделей антропоморфных роботов, имеющих древовидные кинематические структуры.

2. Предложенное представление изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР в декартовом пространстве в виде комбинации гармонических функций позволяет производить синтез управления его движением.

3. Разработанная методика построения программного обеспечения системы управления исполнительным механизмом ДШР может быть использована для построения программных комплексов систем управления роботами.

4. Созданный экспериментально-моделирующий комплекс ДШР является лабораторной установкой, используемой при решении задач синтеза траектории движения исполнительного механизма с ЭГСП, рассматриваемых в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации теоретические положения, алгоритмы управления и рекомендации по проектированию систем ЭГСП ДШР использованы в госбюджетных НИР: «Разработка основ проектирования двуногих шагающих манипуляционных роботов» (ГР № 01200606556, Инв. № 022006041116), «Исследование принципов управления и стабилизации двуногих шагающих роботов в режиме динамической ходьбы» (ГР № 01200703234, Инв. № 02200900140). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика» МГТУ им. Н.Э.Баумана в читаемых курсах: «Гидроприводы стационарных и мобильных объектов», «Основы мехатроники гидро-пневмосистем», что подтверждается актом о внедрении.

Использование результатов диссертационной работы может быть рекомендовано к внедрению в следующих организациях: ФГУ ВНИИ ПО МЧС, ФГНЦ России ЦНИИ РТК, ОАО «НИКИМТ - Атомстрой».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- российском научно-методическом семинаре «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». (Омск, 2001г.);

- международной научно-технической конференции «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее» (Москва, 2004 г.);

- 1 международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины» (Москва 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 3 статьях (опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК), в одной монографии, в одном учебном пособии, в 2 отчётах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов по каждой главе, заключения и списка литературы. Общий объём работы содержит 172 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 59 рисунков, список литературы из 48 наименований.

Основное содержание работы

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, методы исследования, изло-

жены основные положения, представленные автором на защиту, приведено описание лабораторного исследовательского комплекса ДШР.

В первой главе изложен, предложенный автором, подход к описанию древовидных кинематических структур роботов с использованием теории графов. Приведено, выведенное автором, блочно-матричное уравнение динамики роботов с древовидными кинематическими структурами. Разработана математическая модель ДШР с ЭГСП, замкнутыми обратными связями по положению, с учётом взаимодействия ДШР с опорной псзерхностью. При этом учтены следующие особенности: древовидная кинематическая структура ДШР; незакреп-лёность исполнительного механизма к неподвижному основанию; наличие внешних связей накладываемых на ДШР, которые меняются в процессе его движения; работа ЭГСП в области малых управляющих сигналов, характерных для движения ДШР в режиме динамической ходьбы. В математической модели исполнительного механизма ДШР приняты следующие допущения: звенья ДШР абсолютно жёсткие; связи в сочленениях - голономные.

Описание кинематической структуры исполнительного механизма ДШР, в условиях его не привязанности к неподвижному основанию, было реализовано путём введения шести дополнительных фиктивных звеньев, связывающих корпус ДШР с неподвижным основанием. В этом случае исполнительный механизм ДШР имеет 18 степеней подвижности, и его кинематическая структура становится ветвящейся (рис. 1).

Изложенная в диссертации методика построения математических моделей роботов с древовидной кинематической структурой не ограничивается только кинематическими структурами двуногих шагающих роботов. Однако, для её представления удобно, в качестве примера, использовать исполнительный механизм ДШР, как представителя такого класса роботов.

Для описания кинематической структуры и записи математической модели исполнительных механизмов с древовидными кинематическими структурами условимся:

- кинематическая структура исполнительного механизма представляется в виде древовидного направленного графа (рис. 1), звенья в таком графе являются вершинами, а соединяющие их сочленения — дугами;

- за звено с номером 0 (корень дерева) принимаем окружающее пространство с инерциальной системой координат, фиксированной в какой-либо точке этого пространства (абсолютной системой координат);

-- нумерация звеньев начинается с 1 и производится по возрастающим номерам, без пропусков, двигаясь от корня дерева к его листам, т.е. для каждого звена должно выполняться условие: собственный номер звена меньше номера любого звена - потомка;

- номер обобщённой координаты, как и номер соответствующего сочленения, такой же, как и у звена, присоединяемого этим сочленением к предыдущему звену.

Для описания древовидного исполнительного механизма используем следующие обозначения:

/О") - номер звена, являющегося звеном-отцом для звена /, / е I;

- номер звена, являющегося к-м звеном-сыном для звена ;;

- полустепень исхода звена ;', определяет количество звеньев-сыновей звена г,

ДО - кортеж номеров звеньев, являющихся для звена / звеньями-сыновьями Д/) - {(s(.i,\),s(i>2),..,s(i,k),..,s(¡,dg*(¡))) };

иг(г) - определяет, каким по счету звеном-сыном является звено / для своего звена-отца (порядковый номер звена ; в кортеже Г(/(/));

<7, е {0,1} - диагональная матрица коэффициентов а, с {0,1}, определяющих типы сочленений звенев / со звеньями-отцами (телескопический и вращательный шарнир соответственно).

Рис. 1. Кинематическая схема лабораторного ДШР с фиктивными звеньями и представляющий её древовидный граф

Для формирования математической модели в блочном виде будем представлять кинематическую структуру исполнительного механизма с помощью матрицы достижимости. Это квадратная матрица £>, каждый элемент которой йу равен 1, если /* вершина достижима из вершины . Размерность матрицы й

равна числу звеньев исполнительного механизма. Для ДШР (рис. 1), матрица достижимости, описывающая его кинематическую структуру, имеет вид:

'10.. ' 1 1 ...

4*6 ©6*6

А 8*18 - 1«

Л* О

, где: и =

; 1 - матрица, все элементы ко-

1 ... 1,

торой равны 1; © - нулевая матрица.

Порядок следования систем координат, связанных со звеньями исполнительного механизма, имеющего древовидную кинематическую структуру, оп-

ределяется с помощью блочного вектора 2 =( г

о~т

Д1),щ(1) 2/(2),ю(2) -

0-Г

/(/V),п1(Л<)

где " °РТ оси * системы координат, связанной со звеном ДО, соот-

ветствующей звену /; N - количество звеньев исполнительного механизма. Нулевой левый верхний индекс указывает, что вектор выражен в абсолютной системе координат.

Используя предложенный способ описания кинематических структур роботов, можем записать кинематические и динамические зависимости для всех звеньев роботов с древовидной кинематической структурой. Ниже приводится выражение, определяющее ускорения центров масс звеньев. X = •(£-„) + Лг(°с/оУ°х" • в), ч +

+ Лг(°с/о) • Ат{■"г" ■ с • ч") ■ ф - £>°г" ■ с • ц +

+ 2-О-ЛГ(0г1' ■{Е-в)-ца\ф-Е)*г'1 -с^. В этом выражении:

°с/0 - матрица, объединяющая векторы, соединяющие начала систем координат звеньев /(У).даО') с центрами масс звеньев /, в соответствии со взаимной достижимостью звеньев, описываемой матрицей £>;

правый верхний индекс с! обозначает представление векторной величины в диагональном виде.

Зависимости, для определения сил или моментов, развиваемых приводами, получаются при проецировании на оси выражений для сил и моментов,

действующих на звенья ; со стороны звеньев /(/).

Выражая усилия, развиваемые приводами, через обобщённые координаты и их производные и группируя сомножители при ц и ц получаем уравнение динамики исполнительных механизмов роботов, имеющих древовидные кинематические структуры, определяемые матрицей достижимости звеньев О, блочным вектором °г и диагональной матрицей а:

Жч) • ч + В(яЛ) - С(яУ I, - Я(ч)-° п, = т,

где:

+ DT-°4 ■ß-V •o)+(£-ö-)-(0zrfy -Dr -m" -(d-V .(£-c) + Ar(°c/o>V -a);

+ Ar(Ar(0c/o)-o-q".°Zrf ■D + ArCc/D)iD-E)-a-°z< -q)f)+ + 2-£>-Ar(V ■(E-a)-q")-(D-E)]+

+ DT-U"c-D-a-qä ■Ar(°xä)-(D-E) + D' -A{D-°Zj-о-с1У-04-о\0г"-a-q + + (E-<r)-{°zd)T ■DT md -[Ar(üc/z))-A7(V +

+2-D-AT(°zd ■(E-o)-qd)-(D-E) +

C(q) = e-(V)T -((Z/ -£)-A(V)-D7 •A(0tJ))+(£-c)-(0zrf)r

В этих выражениях:

m = (ml,m2 ..mN)T - матрица масс звеньев исполнительного механизма;

Jc=Cc,^c2 • • ^ сЛ, )Г - блочная матрица тензоров инерции звеньев;

_ Of :г ^

i — Cliag( i, г2 .. гЛ, j блочная диагональная матрица векторов, соединяющих начала систем координат звеньев /(i),w(0 с точками, через которые проходят равнодействующие внешних сил, приложенных к звеньям /.

Полученные уравнения кинематики и динамики являются развитием аналогичных уравнений, приведённых в работах Зенкевича C.JI., Ющенко A.C., Лескова А.Г., выведенных для исполнительных механизмов с простой кинематической цепью.

Движение ДШР в режиме динамической ходьбы является статически неустойчивым. Для обеспечения движения ДШР по реализуемой траектории, приводы должны обладать высокой динамической чувствительностью, при которой практически не допускается наличие зоны нечувствительности в контурах управления приводами. В качестве приводов ДШР использованы ЭГСП следящие по положению. Исполнительный гидроцилиндр управляется двухкаскад-ным электрогидравлическим усилителем. В качестве первого каскада усиления используется электромеханический преобразователь типа сопло-заслонка. В качестве второго - цилиндрический золотниковый распределитель.

Рис. 2. Структурная схема математической модели исполнительного механизма ДШР с ЭГСП

На большей части траектории движения ДШР ЭГСП работают в области малых амплитуд сигналов управления. Поэтому, при составлении математической модели ЭГСП, особое внимание было уделено моделированию течения рабочей жидкости в гидравлических распределителях при малых смещениях золотников. В математической модели ЭГСП учитываются: сжимаемость рабочей жидкости; особенности моделирования ЭГСП, определяемые непроходным штоком гидроцилиндра; изменяющиеся объёмы рабочих полостей гидроцилиндра; силы трения в гидроцилиндре; нелинейности, обусловленные микрогеометрией золотниковой пары; нелинейность расходно-перепадной характеристики гидрораспределителя; возможность возникновения кавитации; зависимость плеч сил, развиваемых гидроцилиндрами, от значения обобщённой координаты. Динамические свойства электрогидравлических усилителей представлены динамическими звеньями второго порядка. При математическом моделировании работы ЭГСП с указанными особенностями были использованы материалы приведённые в работах Попова Д.Н., Фомичева В.М., Лещенко В.А., Фо-ренталя В.И. и др.

Моделирование связей, накладываемых на стопы ДШР со стороны опорной поверхности, осуществляется путём определения сил и моментов, действующих на стопы со стороны упругих элементов, через которые робот контактирует с опорной поверхностью. Эти силы и моменты определяются как функции от линейной и угловой деформации каждого из упругих элементов стоп. При этом учитываются следующие особенности:

-силы и моменты действующие со стороны упругих элементов на стопы ДШР возникают только при контакте соответствующего упругого элемента с опорной поверхностью;

-силы, действующие со стороны опорной поверхности на упругие элементы стоп, ограничены в соответствии с максимальными силами трения.

Определённые силы и моменты учитываются в уравнении динамики исполнительного механизма в качестве внешних сил и моментов, действующих на стопы ДШР (звенья 12 и 18 кинематической структуры исполнительного механизма ДШР, показанной на рис. 1).

Полученная математическая модель исполнительного механизма ДШР с ЭГСП (рис. 2) учитывает основные особенности исполнительного механизма и гидравлических приводных устройств, определяющие реализацию его движения. Использование разработанной математической модели может быть полезным как при синтезе управления движением, так и при определении требуемых параметров ЭГСП и источника энергопитания.

Во второй главе отображены основные требования для программных комплексов систем управления роботами, представлена, разработанная автором, структура построения программного обеспечения систем управления (ПОСУ) робототехнических комплексов. Описаны предложенные и реализованные алгоритмические механизмы, обеспечивающие функционирование разработанного ПОСУ и выполнение поставленных задач.

ЭВМ 2

обратная задача кинематики

модель

таймер

Г

"1

ПТ2

ПТ1

в

Я <и 9

Ё

л 0)

и 2

£

с О.

я а> с

и

т

ЭВМ 1

птз

Ц

II I §

эвмз

т

_ J

I

а

§

о;

I

ъ

с

ж.

Аппаратура сопряжения

X

Исполнительный механизм

Рис. 3. Структура взаимодействия ПЗ между собой через ПТ

При проектировании систем управления робототехнических комплексов единая система управления представляется в виде набора отдельных программно-независимых задач (ПЗ), разделённых по функциональным признакам. Логически обособленные задачи управления роботом разрабатываются и оформляются в виде отдельных программных модулей, которые операционная система выполняет как независимые процессы. Функции обеспечения взаимодействия отдельных программных модулей (обмен данными, командами, синхронизация работы) в рамках всей сети ЭВМ, на которых выполняются программные модули системы управления, возлагаются на специальный процесс-транспорт (ПТ). Структура взаимодействия построена по принципу клиент-сервер: процесс-транспорт является сервером системы управления, программные модули -клиентами. Взаимодействие программных модулей через процесс - транспорт осуществляется посредством единых протоколов обмена данными и командами. На основе предложенной концепции построения ПОСУ разработана струк-

тура программного комплекса системы управления ДШР. Программный комплекс выполнен на трёх ЭВМ (одна из них расположена непосредственно на корпусе ДШР), объединённых в локальную сеть. Структурная схема, определяющая состав программного комплекса и распределение ПЗ между ЭВМ системы управления, показана на рис. 3. Такая структура системы управления ДШР позволила увеличить вычислительные ресурсы комплекса и обеспечить: расчёт алгоритмов управления движением ДШР, стабилизацию отрабатываемой траектории движения, управление ЭГСП, регистрацию экспериментальных данных и интерфейс оператора в реальном времени в процессе движения робота. Кроме этого, имеется возможность функционального наращивания системы управления, путём включения в локальную сеть дополнительных ЭВМ.

Одним из достоинств разработанного программного комплекса ДШР является математическая модель ДШР с ЭГСП, включенная в состав комплекса. Программный комплекс ДШР, построенный таким образом, может работать как с реальным исполнительным механизмом, так и с его математической моделью (структура и параметры системы управления при этом не меняются), что значительно расширяет возможности проведения исследовательских работ.

В третьей главе изложены, предложенные автором, структура и алгоритмы системы стабилизации движения ДШР с ЭГСП следящими по положению, обеспечивающая его движение по требуемым траекториям в условиях внешних силовых возмущений на исполнительный механизм и при отличии положения опорной поверхности от ожидаемого. Показаны алгоритмы,' реализующие предложенную систему стабилизации в составе разработанного программного комплекса. Приведены результаты экспериментального исследования динамических свойств разработанной системы стабилизации.

Использование на ДШР ЭГСП, замкнутых обратными связями по положению, позволяет обеспечивать движение робота с большими скоростями. Однако возникает необходимость создавать дополнительные управляемые внешние силовые воздействия на ДШР для удержания робота на расчетных траекториях движения. Для создания требуемого управляющего момента на стопах ДШР расположены упругие элементы, которые позволяют создавать заданный момент, действующий на ДШР со стороны опорной поверхности, задавая соответствующие ему угловые положения стоп.

Разработанная система стабилизации положения робота (рис. 4), состоит из трёх контуров управления. В первом контуре системы стабилизации, по рассогласованию заданного и измеренного положений корпуса, определяется момент со стороны опорной поверхности, необходимый для возвращения корпуса на требуемую траекторию движения. Во втором контуре - требуемый момент сравнивается с моментами, измеренными силомоментными датчиками стоп, и рассчитываются угловые довороты стоп, необходимые для дополнительной деформации упругих элементов, обеспечивающей требуемый момент. Решается обратная задача кинематики для определения вектора обобщённых координат, обеспечивающего требуемое положение корпуса ДШР и итоговые положения стоп. В третьем контуре - требуемый вектор обобщённых координат отрабаты-

Рис. 4. Структурная схема системы стабилизации углового положения корпуса ДТТ1Р

вается ЭГСП, замкнутыми обратными связями по положению.

Для проверки работы системы стабилизации ДШР были проведены экспериментальные исследования на лабораторном образце ДШР. Оценивалось качество переходных процессов отклонения углового положения корпуса от заданного: при ступенчатом приложении к нему внешнего момента; при ступенчатом изменении углового положения опорной поверхности. Экспериментальные исследования системы стабилизации показали, что разработанная структура системы стабилизации, а также реализующие её алгоритмы и программы, работоспособны и обладают достаточной для реализации ходьбы эффективностью.

В четвёртой главе представлена, разработанная автором, методика программно-функционального формирования траектории движения ДШР. Траектория формируется в виде периодических циклов движения, описываемых гармоническими функциями с малым числом изменяемых параметров. Приведена структура формирования траектории движения ДШР в пространстве обобщённых координат по требуемой траектории движения в декартовом пространстве и требуемым моментам на стопах, задаваемым системой стабилизации по отклонению действительной траектории движения корпуса ДШР от требуемой. Приведены результаты экспериментальных исследований работы системы стабилизации при движении ДШР в режиме динамической ходьбы под управлением выше обозначенных алгоритмов и энергетические характеристики исполнительного механизма ДШР при динамической ходьбе.

Для первоначального определения траектории движения ДШР в декартовом пространстве решается краевая задача динамики с использованием упрощенной математической модели исполнительного механизма и определяются аналитические выражения для расчета положения корпуса и переносимой стопы, как функции от времени, в пределах каждого шага робота. Траектория движения ДШР, синтезированная в результате решения упрощённой математической модели, апроксимируется гармоническими функциями с малым количеством изменяемых параметров. Это позволяет, изменяя параметры апроксими-рующих функций, производить коррекцию и оптимизацию траектории движения с учётом динамических факторов движения ИМ, не учтённых в упрощённой математической модели. Кроме того, появляется возможность производить расчёт траектории в реальном времени (в процессе движения ДШР).

Состояние робота в декартовом пространстве определяется вектором S(t), включающим в себя линейные и угловые положения переносимой стопы, угловые положения корпуса и координаты проекции центра масс ДШР на опорную поверхность. Значение каждой из перечисленных переменных состояния ДШР в декартовом пространстве определяется соответствующей ей функцией фазового изменения переменной состояния во времени. Функции фазовых изменений переменных состояния робота (аппроксимирующие траекторию движения по упрощённой математической модели) определяющие движение ДШР в пределах одного шага, группируются в периодические циклы движения робота. Коррекция траектории движения производится в результате исследования движения ДШР на его полноценной математической модели. Критерием качества

синтезируемой траектории движения ДШР является минимизация моментов на стопах ДШР в процессе ходьбы.

Предложенная структура формирования траектории движения ДШР позволяет «наслаивать» дополнительные корректирующие параметризированные движения, с помощью которых можно компенсировать влияние неучтенных в упрощенной модели динамических эффектов (в качестве такого движения с успехом использован наклон корпуса).

В качестве функций, аппроксимирующих фазовые изменения переменных состояния ДШР в декартовом пространстве, в данной работе использовались зависимости:

Н,

г

,я

7 ^ - , ('„+'*,(2)

^ V 1>

где - переменная состояния ДШР; г - текущее время движения робота; /„, -время начала цикла движения; - время начала фазы изменения переменной состояния робота, относительно времени начала цикла движения; Т, - продолжительность фазы изменения переменной состояния робота; Я, - требуемое изменение переменной состояния робота 5, за время Г,; г5| - текущее время гармонического закона изменения переменной состояния робота.

Траектория движения ДШР в пространстве обобщённых координат, обеспечивающая его требуемое движение в декартовом пространстве, и требуемые корректирующие моменты на стопах, определяемые системой стабилизации, формируется в программном модуле решения обратной задачи кинематики. Структура определения траектории движения ДШР в пространстве обобщённых координат, в режиме ходьбы со стабилизацией положения корпуса, показана на рис. 5. На основе данных, получаемых от генератора траектории (2), предварительно определяется положение корпуса в декартовом пространстве. Определяются положения стоп в декартовом пространстве, обеспечивающие требуемые моменты стабилизации со стороны опорной поверхности. Определяются значения обобщённых координат, обеспечивающих требуемое положение корпуса и требуемые положения стоп. Представленная структура формирования вектора обобщённых координат позволила осуществить движение ДШР, оснащённого ЭГСП замкнутыми обратными связями по положению, в режиме динамической ходьбы. Длительность шагового цикла (переступаете с одной ноги на другую) составляла 2,5 с. Длина шага (вынос переносимой стопы относительно опорной) 0,2 м.

Анализ полученных результатов эксперимента показал, что: -зависимости, полученные в результате математического моделирования движения исполнительного механизма ДШР в режиме динамической ходьбы и в результате реального эксперимента, практически совпадают, что подтверждает идентичность реального исполнительного механизма ДШР с ЭГСП и его математической модели;

Рис. 5. Структура формирования траектории движения исполнительного механизма ДШР в пространстве обобщённых координат

-система стабилизации постоянно удерживает ориентацию корпуса в окрестности заданной не хуже 2,5 градусов во фронтальной плоскости и не хуже 3 градусов в продольной вертикальной, несмотря на возмущения возникающие при ходьбе;

-полезная мощность, развиваемая ЭГСП ДШР при движении робота в режиме динамической ходьбы с приведёнными выше параметрами, периодически изменяется от 20 Вт до 500 Вт, при этом гидравлическая мощность насосной станции изменяется от 1100 Вт до 3500Вт.

Результаты исследований, проведённых на экспериментальном комплексе, показали его высокую эффективность, подтвердили адекватность разработанных математических моделей, целесообразность использования предложенных методик и алгоритмов управления движением ДШР.

Общие выводы

1. Разработанный исполнительный механизм с ЭГСП обеспечивает устойчивое движение ДШР по горизонтальной плоскости.

2. Разработанная математическая модель исполнительного механизма с ЭГСП обладает достаточной адекватностью реальному лабораторному макету, позволяющей синтезировать управление движением исполнительного механизма ДШР.

3. Реализованная методика синтеза управления движением исполнительно-

го механизма с ЭГСП, при представлении изменения переменных состояния ДШР в виде комбинации гармонических функций, позволяет получать реализуемые траектории движения ДШР.

4. При управлении движением ДШР необходимо управлять дополнительным изменением пространственной конфигурации ДШР, для компенсации инерционного воздействия неучтенных в упрощённой модели динамических эффектов (в качестве дополнительного изменения пространственной конфигурации ДШР может быть использован закон изменения наклона корпуса в процессе ходьбы ДШР).

5. Разработанное программное обеспечение системы управления позволяет создавать программные комплексы для управления многозвенными исполнительными механизмами роботов, оснащёнными ЭГСП, в реальном времени.

6. Разработанный лабораторный макет ДШР целесообразно использовать для решения задач создания перспективных двуногих шагающих роботов с ЭГСП.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Принципы построения программного обеспечения системы управления антропоморфным шагающим роботом И Автоматизация и современные технологии. 2007. №2. С. 10-15.

2. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Математическое описание кинематики и динамики исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2008. №11. С. 13-24.

3. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Блочно-матричные уравнения движения исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2008. №12.С. 5-21.

4. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Управление исполнительными системами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы / Под редакцией А.К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 160 с.

5. Математическое моделирование систем приводов роботов с древовидной кинематической структурой: Учебное пособие для вузов / Д.Б. Кулаков [и др.] М.: Изд-во «Рудомино», 2008.64 с.

6. Отчёт по теме «Разработка основ проектирования двуногих шагающих манипуляционных роботов» / МГТУ. Руководитель темы А.К.Ковальчук. ГР № 01200606556, Инв. № 022006041116. М., 2005. 140с.

7. Отчёт по теме «Исследование принципов управления и стабилизации двуногих шагающих роботов в режиме динамической ходьбы» / МГТУ. Руководитель темы А.К.Ковальчук. ГР № 01200703234, Инв. № 02200900140. М., 2008. 150с.

Подписано к печати 8.12.09. Заказ №806 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Введение.

Глава 1. Разработка математической модели и моделирование движения исполнительного механизма двуногого шагающего робота.

1.1. Разработка математической модели исполнительного механизма робота с древовидной кинематической структурой.

1.1.1. Описание кинематической структуры исполнительного механизма робота.

1.1.2. Кинематические соотношения для исполнительного механизма робота.

1.1.3. Динамические соотношения для исполнительного механизма робота.

1.1.4. Дифференциальное уравнение движения исполнительного механизма робота относительно обобщённых координат.

1.2. Моделирование движения исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами, с учётом его взаимодействия с опорной поверхностью.

1.2.1. Определение матричных коэффициентов в уравнении движения исполнительного механизма.

1.2.2. Моделирование работы электрогидравлических следящих приводов.

1.2.3. Моделирование работы насосной станции.

1.2.4. Моделирование взаимодействия исполнительного механизма двуногого шагающего робота с опорной поверхностью во время его движения.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка программного обеспечения системы управления движением исполнительного механизма двуногого шагающего робота.

2.1. Структура программного обеспечения системы управления.

2.1.1. Принципы построения программного обеспечения системы управления.

2.1.2. Синхронизация выполнения процессов-задач.

2.1.3. Обмен данными между процессами-задачами.

2.1.4. Организация сетевого взаимодействия между процессами-транспортами программного обеспечения системы управления.

2.2. Программный экспериментально - моделирующий комплекс исполнительного механизма двуногого шагающего робота.

2.2.1. Задачи решаемые с помощью программного комплекса.

2.2.2. Состав программного комплекса.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Система стабилизации движения исполнительного механизма с электрогидравлическими приводами, при управлении моментами на стопах двуногого шагающего робота.

3.1. Структура системы стабилизации движения исполнительного механизма двуногого шагающего робота.

3.1.1. Определение структуры главного контура системы стабилизации.

3.1.2. Определение структуры контура моментного регулятора.

3.2. Экспериментальные исследования системы стабилизации исполнительного механизма двуногого шагающего робота.

3.2.1. Экспериментальное исследование работы системы стабилизации при ступенчатом изменении внешнего момента, действующего на исполнительный механизм.

3.2.2. Экспериментальное исследование работы системы стабилизации при ступенчатом изменении углового положения опорной поверхности.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Управление движением исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами, по горизонтальной плоскости.

4.1. Синтез реализуемой траектории движения исполнительного механизма двуногого шагающего робота по горизонтальной плоскости.

4.1.1. Формирование траектории движения исполнительного механизма в декартовом пространстве.

4.1.2. Структура управления движением исполнительного механизма по программной траектории в декартовом пространстве.

4.1.3. Формирование траектории движения исполнительного механизма в пространстве обобщённых координат.

4.2. Исследование движения исполнительного механизма двуногого шагающего робота по горизонтальной плоскости.

4.2.1. Экспериментальное исследование движения исполнительного механизма.

4.2.2. Исследование энергетических характеристик исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами.

Выводы по главе 4.

Выводы.

С каждым годом в мире возникает все больше ситуаций, требующих от людей выполнения самых разнообразных работ в тяжелых, опасных, а подчас и несовместимых с жизнью условиях. В ответ появляются все новые средства экстремальной робототехники. Как правило, для выполнения задач на суше это самоходное колесное или гусеничное шасси с установленными на нем манипулятором, средствами наблюдения или другим оборудованием. Управление осуществляется дистанционно по радио или кабелю, а питание от аккумуляторов или также по кабелю. Эти роботы создаются уже не один десяток лет. Сложившимися за это время коллективами накоплен большой опыт по их разработке и применению, в ряде случаев весьма эффективному. Однако нельзя отрицать, что такая техника имеет (как и любая другая) ограниченные возможности и, соответственно, сферы применения. Поэтому как и прежде люди, рискуя здоровьем и жизнью, работают в завалах, на пожарах, в условиях химического, биологического и радиоактивного заражения, борются с преступниками и террористами. Причем, чаще всего все это происходит не в поле, а в зданиях и различных сооружениях, в помещениях и в кабинах различной техники, т.е. в условиях, изначально созданных для человека, с учетом его двурукости, двуного-сти, типичных размеров, массы и, если можно так сказать, кинематики тела. По этой причине развиваются и другие направления экстремальной робототехники. Наиболее целесообразным представляется использование робототехниче-ского комплекса, включающего в себя антропоморфный двуногий шагающий робот (ДШР) (или группу ДШР) и мобильный пост управления. ДТТТР должен быть снабжен автономным источником энергии, средствами связи с постом управления, а также системой управления, позволяющей выполнять некоторые действия в супервизорном или автоматическом режиме (например самостоятельный выход с места работ при отсутствии связи).

В средствах массовой информации появляется все больше сообщений из самых разных частей света о создании очередного двуногого шагающего робота. Многие ведущие фирмы мира, практически каждый уважающий себя технический университет, считают делом чести создать собственный антропоморфный робот. При этом каждый разработчик по-своему понимает роль и место таких роботов в будущем мире. Это говорит, скорее всего, о возможности самого разнообразного их использования. По мнению некоторых специалистов, антропоморфные роботы в ближайшем будущем станут незаменимыми помощниками в быту, освоении подводного и космического пространства, а так же в военном деле.

Стратегической задачей при создании подобных робототехнических интеллектуальных систем провозглашается [1]:

1. способность робота оперировать в среде, созданной для человека;

2. быть максимально похожими в движениях на человека;

3. пользоваться приборами и инструментами, разработанными для использования человеком;

4. быстро адаптироваться к изменяющимся внешним условиям;

5. не наносить вреда человеку, окружающей домашней обстановке, домашним животным;

6. быть автономным.

Управление антропоморфными роботами строится по иерархической структуре:

- коллективное управление,

- индивидуальное управление,

- примитивные физические индивидуальные действия.

При этом под коллективным управлением понимается управление группой роботов, как командой, самостоятельно решающей единую задачу. Наиболее близкими к поставленным задачам создания индивидуальных, автономных антропоморфных шагающих роботов, работающих в единой команде, являются проблемы создания робота, играющего в футбол [2]. Международные футбольные турниры ROBOCUP между командами роботов показывают, что в этом направлении уже достигнут большой прогресс. Главной озвученной целью развития роботов-футболистов, является создание команды роботов, способной обыграть команду футболистов-людей, в обычном футбольном матче. По прогнозам учёных это произойдёт к 2050 году (по некоторым оценкам даже раньше).

Япония проявляет наибольшую активность в области создания антропоморфных шагающих роботов и достигла в этом деле больших успехов [3]. Такие работы ведутся в Токийском университете, университете Васеда совместно с фирмой "Hitachi", в Оксакском университете, университете г. Шиба, Биомедицинском инженерном институте, Токийском технологическом институте и в других организациях. В начале 80-х созданы роботы WL-9RD, WL-9RDmkl 1. Наконец, всем известный робот "Asimo" фирмы Honda кроме полноценной динамической ходьбы, т.е. движения с учётом инерционных свойств исполнительного механизма ДШР, демонстрирует массу других функций (техническое зрение, синтез и распознавание речи, ориентирование в пространстве), делающих его не просто универсальной шагающей машиной, а настоящим роботом.

Большой интерес представляет работа специалистов Мюнхенского технического университета - антропоморфный шагающий робот "Johnnie" [4]. Кинематика и габариты этого робота подобны человеческим. Он имеет 17 управляемых степеней подвижности, оснащенных электрическими сервоприводами. На стопах установлены шестикомпонентные силомоментные датчики, имеется бесплатформенная система ориентации робота и система технического зрения. Робот способен двигаться в режиме динамической ходьбы по ровной горизонтальной и наклонной поверхностям, а также по ступеням. Система технического зрения позволяет обнаруживать и преодолевать препятствия (обходить и перешагивать). Управление приводами осуществляется в режиме отработки заданных моментов, определяемых по результатам математического моделирования требуемого движения (при медленной ходьбе), или в режиме отработки заданных обобщённых координат (при быстрой ходьбе).

Подобные работы ведутся в Берлинском техническом университете, в университетах в Нью-Гемпшире, Мичигане, Масачусетсе, а также в Сербии, Австралии и других странах [3].

В СССР, а затем в России с начала 70-х годов теоретически и методами математического моделирования выполнен большой объем работ по исследованию динамических режимов движения шагающих роботов. Среди работ по данной тематике, проводимых в нашей стране, можно выделить работы Белецкого В.В., Охоцимского Д.Е., Формальского A.M. и их коллег. В Институте прикладной математики (ИПМ) АН РФ и Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова выполнены работы по исследованию и оптимизации энергетики движения и по разработке алгоритмов управления движением двуногих и четы-рехногих машин, перемещающихся в различных динамических режимах движения: ходьба, бег, прыжки. Вопросы устойчивости движения шагающих машин в квазидинамических режимах, когда имеются непродолжительные статически неустойчивые фазы, исследовались в Институте машиноведения РАН.

В ИПМ АН Украины разработаны алгоритмы управления для динамических режимов шагания и бега двуногих и четырехногих машин с использованием методов аналитического конструирования регуляторов. Для управления используются уравнения движения, линеаризованные в окрестности заданного программного режима.

Большая часть этих работ прекратилась в начале 90-х. Научные коллективы распались. Кроме того, при большом теоретическом заделе в РФ проводилось очень мало экспериментальных исследований динамических режимов движения двуногих шагающих роботов. Редкие представители подобного рода работ - два лабораторных макета электромеханических двуногих шагающих роботов, созданные в 80-е годы в Институте механики МГУ совместно с Институтом прикладной математики РАН и Институтом проблем передачи информации РАН. Оба макета предназначены для отработки системы управления в режиме динамической ходьбы. Они способны двигаться лишь по прямой, совершая плоское движение в сагиттальной плоскости, не имеют управляемых стоп. Первый макет имеет телескопические ноги и всего две независимые степени подвижности. Конструктивно наложены две механические связи: суммарная длина ног сохраняется постоянной, а корпус лежит на продолжении биссектрисы угла, образованного ногами. Аппарат приводится в движение двумя электродвигателями, один из которых изменяет разность длин ног, а второй — изменяет угол между ногами. Второй макет имеет антропоморфную кинематическую схему с двумя двигателями на каждой ноге. Высота обоих макетов составляет 0,6 м, масса первого макета — 4 кг, а второго — около 6 кг.

Известны также созданные на С-Петербургском предприятии "Новая эра" антропоморфные шагающие роботы "Агпео", однако, к сожалению, активного продолжения эта работа не получила.

Таким образом, в настоящее время наблюдается значительное отставание России в области создания двуногих шагающих роботов. До настоящего времени не было ни одного документального подтверждения двуногой шагающей машины, разработанной в России, способной двигаться в режиме динамической ходьбы.

Проведённый обзор работ, посвящённых созданию шагающих механизмов и двуногих шагающих роботов, позволяет среди многих научных и технических проблем выделить следующие:

1. переменная структура исполнительного механизма ДШР, изменяющаяся в процессе движения, при этом образуются как разомкнутые так и замкнутые кинематические цепи, методы анализа и синтеза которых в настоящее время развиты недостаточно;

2. ветвящиеся кинематические структуры исполнительных механизмов шагающих машин, методы описания, моделирования и управления которыми требуют дальнейшего развития;

3. не закреплённость исполнительного механизма ДШР на неподвижном основании (исполнительный механизм взаимодействует с опорной поверхностью только через упругие элементы стоп во время их контактирования);

4. влияние динамических свойств приводов ДТПР на его движение по требуемым траекториям.

При проектировании ДТТТР большое значение имеет выбор исполнительных приводов. На ДТТТР с электроприводами могут использоваться [32]: линейный электропривод, электропривод с планетарным редуктором, электропривод с волновым редуктором. В силу своих массогабаритных характеристик линейные приводы не позволяют реализовывать необходимые диапазоны изменений всех обобщённых координат. Электроприводы с планетарными редукторами имеют большие люфты и, как следствие, возникают удары и сложности с обеспечением требуемых запасов устойчивости системы приводов. Электроприводы с волновыми редукторами подшипникового типа имеют значительный вес и малую удельную энергоёмкость (50 Нм, 800 г.). Электроприводы с волновыми зубчатыми редукторами имеют более хорошие характеристики (150 Нм при весе 240 г).

Как показал проведённый анализ, для создания ДТТТР с массогабаритными параметрами человека и с учётом массы переносимого груза наиболее приемлемым является применение гидропривода, обладающего большей энергоёмкостью и возможностью работать в области малых изменений обобщённых координат, характерных для ходьбы ДТТТР. Кроме того, что электроприводы с редукторами обладают худшими динамическими характеристиками, по сравнению с гидроприводами, они, из-за применения редукторов, имеют очень большую жёсткость. Это, в свою очередь, приводит к поломкам при ударных перегрузках со стороны окружающей среды. Если же для защиты приводов используются различные механические приспособления, то это дополнительно увеличивает вес привода. Гидроприводы позволяют развивать необходимые усилия без применения редукторов.

В результате можно констатировать целесообразность проведения исследований движения ДТТТР, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами (ЭГСП), как наиболее перспективного антропоморфного робота с точки зрения удельной энергоёмкости. Разработка и исследование исполнительного механизма с электрогидравлическими следящими приводами для системы управления движением двуногого шагающего робота актуальна и является важной научно-технической задачей.

Целью работы является создание исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами.

В связи с этим встают следующие научные задачи:

1. Формирование математической модели исполнительного механизма ДШР.

2. Определение структуры и параметров ЭГСП исполнительного механизма ДШР.

3. Определение законов управления исполнительным механизмом ДШР с ЭГСП, обеспечивающего реализуемую траекторию с минимальными моментами на стопах.

4. Разработка структуры и алгоритмов системы стабилизации движения ДШР с ЭГСП, обеспечивающей его движение по горизонтальной плоскости.

5. Разработка программного комплекса и исследование движения ДШР, оснащённого ЭГСП.

При решении вышеуказанных задач в работе используются методы: теоретической механики, теории графов, теории матриц, математического моделирования электрогидравлических приводов, теории автоматического управления, экспериментального исследования объектов управления , оснащённых ЭГСП.

Для проведения научно-исследовательских работ, направленных на изучение динамики ДШР, в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана на кафедре «Гидромеханики, гидромашин и гидропневмоавтоматики» (Э10), совместно с Межотраслевым институтом повышения квалификации (при участии автора), был создан лабораторный исследовательский стенд ДТТТР [5,6]. В качестве исполнительных приводов, на лабораторном стенде ДШР применили ЭГСП. Это было обусловлено их преимуществами по сравнению с другими типами приводов по удельной мощности и динамическим характеристикам, что является особенно важным при создании ДШР больших размеров и масс. Внешний вид робота показан на рис. В.1.

Рис. В.1. Лабораторный ДШР (вид спереди)

ДШР состоит из корпуса и двух ног. В корпусе ДШР (рис. В.2) размещены насосная станция, аппаратура системы управления, аппаратура системы ориентации. В стопы ног встроены силомоментные датчики. Снизу на стопах, для увеличения податливости, закреплены резиновые накладки. Исполнительный механизм имеет 12 степеней подвижности, оснащённых ЭГСП. Высота исполнительного механизма ДШР составляет 2.2 м., вес - 220 кг. Энергопитание осуществляется по кабелю от внешнего источника трёхфазного напряжения (200 В. 400 Гц.). Программное обеспечение системы управления выполняется на трёх совместно работающих ЭВМ, объединённых в локальную сеть Ethernet.

Рис. В.2. Корпус исполнительного механизма ДШР (вид спереди и сзади)

В качестве исполнительных гидродвигателей используются гидроцилиндры с непроходными штоками (рис. В.З). Потоками жидкости в полости гидроцилиндров 2 управляют электрогидравлические усилители типа сопло-заслонка-золотник 1. В качестве датчиков угла поворота во все шарниры исполнительного механизма установлены синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы 3, работающие в режиме фазовращателей. Гидравлическая схема ДШР показана на рис. В.4.

Рис. В.З. Внешний вид ЭГСП

Датчики системы ориентации: три маятниковых акселерометра и три гироскопических датчика угловой скорости выполнены в виде отдельного съемного блока (рис. В.5) и установлены на корпусе робота на виброизолированной платформе. f

Рис. В.5. Блок датчиков системы ориентации

Сверху на корпусе, на виброизоляторах, установлена аппаратура системы управления роботом (рис В.6). Она собрана в единый блок, в котором находятся бортовой компьютер Pentium III, аппаратура сопряжения и вторичные источники питания. Аппаратура сопряжения состоит из плат цифро-аналоговых преобразователей (16 каналов), аналого-цифровых преобразователей (64 канала), параллельных портов и платы ввода информации с синусно-косинусных вращающихся трансформаторов. В состав дополнительной аппаратуры сопряжения входят усилитель питания синусно-косинусных вращающихся трансформаторов, блок фильтров аналого-цифровых преобразователей, блок обслуживания датчиков системы ориентации, блок усилителей тока, сопрягающих цифро-аналоговые преобразователи с электрогидравлическими усилителями, блок питания.

В результате был создан лабораторный экспериментальный стенд позволяющий проводить экспериментальные исследования ходьбы ДШР. Параметры исполнительного механизма ДШР с ЭГСП приведены в табл. 1.

Рис. В.6. Аппаратура системы управления

Таблица 1.

Некоторые параметры лабораторного стенда ДШР высота робота 2.2 м масса 220 кг

Энергопитание по кабелю от внешнего источника трёхфазного напряжения 200 В. 400 Гц.

Максимальная потребляемая мощность 8 кВт

Давление питания в гидросистеме 200 атм

Максимальные моменты,развиваемые приводами 934 Нм

Максимальные скорости в степенях подвижности 1.8 рад/с

Аппаратура сопряжения 16 ЦАП (16 разрядов), 64 АЦП (16 разрядов),

Частота замыкания контуров гидроприводов 1000 Гц

Частота обмена данными по сети 100 Гц

Количество совместно работающих программных модулей системы управления 22

Количество совместно работающих ЭВМ 3

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В первой главе изложен, предложенный автором, подход к описанию древовидных кинематических структур роботов с использованием теории графов. Приведено, выведенное автором, универсальное блочно-матричное уравнение динамики роботов с древовидными кинематическими структурами. Разработана математическая модель исполнительного механизма ДТТТР с ЭГСП, замкнутыми обратными связями по положению, с учётом взаимодействия ДТТТР с опорной поверхностью. При этом учтены следующие особенности:

165 ВЫВОДЫ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Разработанный исполнительный механизм с ЭГСП обеспечивает устойчивое движение ДТПР по горизонтальной плоскости.

2. Разработанная математическая модель исполнительного механизма с ЭГСП обладает достаточной адекватностью реальному лабораторному макету, позволяющей синтезировать управление движением исполнительного механизма ДШР.

3. Реализованная методика синтеза управления движением исполнительного механизма с ЭГСП, при представлении изменения переменных состояния ДШР в виде комбинации гармонических функций, позволяет получать реализуемые траектории движения ДШР.

4. При управлении движением ДШР необходимо управлять дополнительным изменением пространственной конфигурации ДШР, для компенсации инерционного воздействия неучтенных в упрощённой модели динамических эффектов (в качестве дополнительного изменения пространственной конфигурации ДШР может быть использован закон изменения наклона корпуса в процессе ходьбы ДШР).

5. Разработанное программное обеспечение системы управления позволяет создавать программные комплексы для управления многозвенными исполнительными механизмами роботов, оснащёнными ЭГСП, в реальном времени.

6. Разработанный лабораторный макет ДШР целесообразно использовать для решения задач создания перспективных двуногих шагающих роботов с ЭГСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены результаты разработки и исследования исполнительного механизма ДШР, оснащённого электрогидравлическими приводами, замкнутыми обратными связями по положениям.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Уравнение движения исполнительных механизмов роботов, имеющих древовидные кинематические структуры с голономными связями в сочленениях.

2. Математическая модель исполнительного механизма ДШР, учитывающая особенности, обусловленные существенными нелинейностями исполнительного механизма с ЭГСП.

3. Представление траектории движения исполнительного механизма ДШР в виде комбинации гармонических функций, описывающих изменения переменных состояния в декартовом пространстве, что позволяет производить синтез управления движением с использованием разработанной математической модели исполнительного механизма с ЭГСП.

4. Структура и алгоритмы системы стабилизации, которая обеспечивает требуемые изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР с ЭГСП, путём управления моментами на стопах.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Полученное уравнение движения исполнительных механизмов роботов может быть использовано для составления математических моделей антропоморфных роботов, имеющих древовидные кинематические структуры.

2. Предложенное представление изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР в декартовом пространстве в виде комбинации гармонических функций позволяет производить синтез управления его движением.

3. Разработанная методика построения программного обеспечения системы управления исполнительным механизмом ДШР может быть использована для построения программных комплексов систем управления роботами.

4. Созданный экспериментально-моделирующий комплекс ДШР является лабораторной установкой, используемой при решении задач синтеза траектории движения исполнительного механизма с ЭГСП, рассматриваемых в учебном процессе.

Разработанные в диссертации теоретические положения, алгоритмы управления и рекомендации по проектированию систем ЭГП ДШР использованы при выполнении госбюджетных НИР: «Разработка основ проектирования двуногих шагающих манипуляционных роботов» (ГР № 01200606556, Инв. № 022006041116), «Исследование принципов управления и стабилизации двуногих шагающих роботов в режиме динамической ходьбы» (ГР № 01200703234, Инв. № 02200900140).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика» МГТУ им. Н.Э.Баумана в читаемых курсах: «Гидроприводы стационарных и мобильных объектов», «Основы мехатроники гидропневмосистем», что подтверждается актом о внедрении

Основные положения диссертации изложены в 3 статьях (опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК), в 1 монографии, в 1 учебном пособии, в 2 отчётах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Результаты настоящей диссертационной работы могут служить основой для дальнейшего развития вопроса о построении исполнительных механизмов двуногих шагающих роботов, оснащённых электрогидравлическими следящими приводами.

1. Павловский В.Е. Задачи группового управления роботами

2. Интеллектуальные машины: Тез. докл. первой международной научно-практической конф. Москва. 2009. С. 3-6.

3. Роботы-футболисты. Проблемы создания и управления/ А.К. Ковальчук и др.; Под редакцией А.К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 108 с.

4. Обзор моделей двуногих шагающих роботов/ А.К. Ковальчук и др.; Под редакцией А.К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ, 2007. 152 с.

5. Loffler К., Gienger М., Pfeiffer F. Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot // Robotics and Automation. 2003: Proceeding. ICRA apos; 03. IEEE International Conference. W.t. 2003. vol. 1. Issue 14-19. P. 484-490.

6. Отчёт по теме «Разработка основ проектирования двуногих шагающих манипуляционных роботов» / МГТУ. Руководитель темы А.К.Ковальчук. Исполнители Кулаков Д.Б. и др. ГР № 01200606556, Инв. № 022006041116. М., 2005. 140 с.

7. Отчёт по теме «Исследование принципов управления и стабилизации двуногих шагающих роботов в режиме динамической ходьбы» / МГТУ. Руководитель темы А.К.Ковальчук. Исполнители Кулаков Д.Б. и др. ГР № 01200703234, Инв. № 02200900140. М., 2008. 150с.

8. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника : Пер. с англ. / Под ред. В.Г. Градецкого. М.: Мир, 1989. 624 с.

9. Шахинпур М. Курс робототехники : Пер. с англ. / Под ред. С.Л. Зенкевича. М.: Мир, 1990. 527 с.

10. Зенкевич С.Л., Ющенко A.C. Основы управления манипуляционными роботами: Учебник для вузов / Под редакцией С.Л. Зенкевича, A.C. Ющенко. 2-е изд., исправ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 480 с.

11. Ковальчук A.K. Семенов С.Е. Кинематический алгоритм управления движением двуногого шагающего робота // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 1996. №1. С. 57-69.

12. Семёнов С.Е. Динамика системы электрогидравлических приводов двуногого шагающего робота: Дис. . .канд.тех.наук. Москва. 1995. 202 с.

13. Яроц В.В. Система управления двуногим шагающим роботом с электрогидравлическими следящими приводами: Дис. .канд.тех.наук. Москва. 1992. 180 с.

14. Лесков А.Г., Ющенко A.C. Моделирование и анализ робототехнических систем. М.: Машиностроение, 1992. 78 с.

15. Медведев B.C. Лесков А.Г., Ющенко A.C. Системы управления манипуля-ционных роботов. М.:Наука, 1978. 416 с.

16. Белоусов А.И., Ткачев С.Б. Дискретная математика : Учебник для вузов / Под редакцией B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 3-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. 744 с.

17. Абгарян К.А. Матричное исчисление: Учебное пособие для вузов. М.: Вузовская книга, 2004. 544 е., ил.

18. Ланкастер П. Теория матриц / Пер. с англ. С.П. Демушкина. М.: Наука, 1978. 280 с.

19. Курс теоретической механики: Учебник для вузов / В.И. Дронг и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова. 2-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. 736 е., ил.

20. Халфман Р. Динамика / Пер. с англ. В.А. Космодемьянского. М.: Наука, 1972. 568 с.20. тер Хаар. Д. Основы гамильтоновой механики/Пер. с англ. В.А. Угарова. М.: Наука, 1974. 224 с.

21. Фомичёв В.М. Проектирование характеристик золотниковых распределителей в области «нуля» // Гидравлика и Пневматика. 2005. №20. С. 49-54.

22. Электрогидравлические усилители мощности / Д.Н. Попов и др. // Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. С. 51-78.

23. Форенталь В.И. Характеристики золотниковых распределителей с учётом микрогеометрии дросселирующих щелей // М. Вестник машиностроения. 1993. №3. С. 25-28.

24. Лещенко В.А. Гидравлические следящие приводы станков с программным управлением. М.: Машиностроение, 1975. 288 с.

25. Попов, Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем : Учебник для вузов; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 464 с. ил.

26. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. 320 с. ил.

27. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учеб. пособ. для вузов. М.: Машиностроение, 1985. 536 с. ил.

28. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления / Пер. с англ. A.M. Епанешникова. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. 911 е., ил.

29. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособ. для вузов. М.: Высшая школа, 1989. 263 е., ил.

30. Белецкий В.В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 288 с.

31. Формальский A.M. Перемещение антропоморфных механизмов. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 368 с.

32. Багданов А.Ф. Опыт разработки шасси андроидных роботов // Интеллектуальные машины: Тез. докл. первой международной научно-практической конф. Москва. 2009. С. 86-88.

33. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Управление исполнительнымисистемами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы / Под редакцией А.К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ, 2007.160 с.

34. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Математическое описание кинематики и динамики исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2008. №11. С. 13-24.

35. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Блочно-матричные уравнения движения исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2008. №12. С. 5-21.

36. Математическое моделирование систем приводов роботов с древовидной кинематической структурой: Учебное пособие для вузов / Д.Б. Кулаков и др. М.: Изд-во «Рудомино», 2008. 64 с.

37. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Принципы построения программного обеспечения системы управления антропоморфным шагающим роботом // Автоматизация и современные технологии. 2007. №2. С. 10-15.

38. Кертен Роб., Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform / Пер. с англ. А.Н. Алексеева; Под ред. Н.Б. Горбунова. СПб.: Изд-во ООО «Издательство "Петрополис"», 2001. 479 с.

39. Зыль С.Н. QNX Momentics: основы применения. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 256 е., ил.

40. Практика работы с QNX / Д. Алексеев и др. М.: Издательский дом «КомБук», 2004. 432 е., ил.

41. Операционная система реального времени QNX Neutrino 6.3. Системная архитектура / Пер. с англ. Ю. Асотова. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 336 с.

42. Компьютерные сети. Учебный курс : Пер. с англ. / Под ред. O.A. Богомолова. М.: Издательский отдел «Русская редакция» ТОО «Channel Trading Ltd.», 1997. 696 е., ил.

43. Вахалия Ю., UNIX изнутри. СПб.: Питер, 2003. 844 с.

44. Running Controller of Humanoid Biped HRP-2LR / Shuuji Kajita and other. // Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona (Spain). 2005. P. 618-624.

45. Sutton R.S, Barto A.G. Reinforcement learning: An introduction // Cambridge, MA: MIT Priess, 1998. P. 15-23.

46. Morimoto J, Atkeson C.G. Learning biped locomotion // IEEE Robotics & Automation Magazine. W.t. 2007. June. P. 41-51.

47. Morimoto, J, Nakanishi G., Cheng G. A biologically inspired biped locomotion strategy for humanoid robots: modulation of sinusoidal patterns by coupled oscillator model // IEEE Transaction on rodotics. 2008. Vol. 24, № l. p. 185-191.

48. Dusko Katie M., Rodik Aleksandar D., Vukobratovic Miomir K. Hybrid Dynamic Control Algoritm for Humanoid Robots Based on Reinforcement Learning // J. Intell Robot Syst. 2008. Vol. 51. P. 3-30.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

49. Внедрение подтверждается следующими опубликованными учебными пособиями, включенными в учебный процесс:

50. Ковальчук А.К., Семенов С.Е., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Яроц В.В. Математическое моделирование систем приводов роботов с древовидной кинематической структурой: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во «Рудомино». 2008. 64 с.

51. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Управление исполнительными системами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы / Под редакцией А.К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ. 2007. 160 с.

52. Начальник Учебного Управления МГТУ им. Н.Э.Баумана