Базовые механизмы управления шагающим роботом - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота. Разработка универсальных контроллеров и системы управления высокого уровня. Проектирование базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ
Кафедра «Робототехнические системы и комплексы»
На тему: « Базовые механизмы управления шагающим роботом »
Руководитель проекта: Карпов Валерий Эдуардович
Конструкторско-технологическая часть: В.Э. Карпов
Исследованием проблем построения адаптивных шагающих машин и управления их движением занимаются многие научные коллективы в России и за рубежом. Интерес к этому направлению объясняется тем, что по сравнению с традиционными колёсными и гусеничными машинами шагающая обладает принципиально лучшими характеристиками по проходимости как при ходьбе по слабым грунтам, так и при перемещении по поверхности со сложным рельефом.
Шагающие машины являются сложными механическими системами с большим количеством управляемых степеней свободы. Каждая нога должна иметь как минимум три привода, чтобы обеспечить возможность поместить стопу в произвольную точку в трёхмерном пространстве, естественно в пределах некоторой рабочей зоны, определяемой конструкцией ноги. Таким образом, шестиногая шагающая машина должна иметь 18 приводов - степеней свободы. Система управления должна быть построена так, чтобы обеспечить координированное движение всех ног, обеспечивающее заданное движение корпуса. Специфичной для шагающей машины является задача планирования движений ног. С одной стороны, шагающая машина обладает лучшей проходимостью благодаря тому, что для её перемещения необходимы дискретные опорные точки, а не непрерывная колея. С другой стороны, необходимы специальные алгоритмы поиска этих опорных точек [Буданов, 2005].
Сложность создания шагающих механизмов обусловлена прежде всего проблемами адекватности математических и имитационных моделей. Исходя из этого, при проектировании многозвенных механизмов и систем управления важнейшее значение имеют натурные макеты и модели. Особенно это касается учебной сферы, где должны применяться недорогие универсальные технологии создания подобного рода моделей и устройств.
Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для проведения исследований в области шагающих робототехнических устройств.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота;
2. Разработка системы очувствления, использующая силомоментные, тактильные, телевизионные, акустические и др. сенсоры, а также системы ориентации и навигации;
3. Алгоритмы управления, обеспечивающие обратимое дистанционное управление системой приводов с учетом динамики исполнительного и задающего механизмов, приводов и управляющих свойств человека, а также реализующие супервизорное и автоматическое управление;
4. Разработка универсальных контроллеров;
5. Разработка системы управления высокого уровня;
6. Разработка архитектуры автономной системы управления шагающим роботом;
7. Разработка базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.
При движении в сложных условиях машины с шагающими движителями могут быть более эффективными в сравнении с традиционными транспортными средствами. Использование шагающего способа передвижения дает качественный рост ряда основных показателей транспортных машин по сравнению с колесными и гусеничными движителями. Имеют место принципиально более высокие возможности по адаптации к опорной поверхности и профильная проходимость, высокая маневренность, допускающая перемещение машины в произвольном направлении и повороты на месте, возможность работы на слабых грунтах, возможность управления опорными реакциями и стабилизации положения корпуса при движении.
Природа не создала колеса просто потому, что система рычагов более приспособлена для передвижения по естественному грунту. Этому способствуют свойства опорно-двигательного аппарата шагающего движителя: дискретность колеи и наличие нерабочего пространства ног. Под дискретностью колеи понимают прерывистость контакта движителя, в данном случае с поверхностью передвижения. Под рабочим пространством ног понимается пространство, окружающее корпус, точки которого достижимы для опорного элемента шагающего движителя. Эти свойства шагающего движителя позволяют предполагать высокую опорную и профильную проходимость для искусственных шагающих средств передвижения. Кроме сильно пересеченной местности, для обычного транспорта непроходимой является и среда, приспособленная для обитания человека: здания с узкими проходами, резкими поворотами, лестничными маршами.
Шагающие машины могут успешно использоваться для транспортировки грузов, в том числе и негабаритных, в условиях бездорожья. Также возможно их использование для осуществления различных технологических операций в нефте- и газодобывающих отраслях (в условиях тундры, пустыни, леса и др. сложных условиях). Шагающие машины, благодаря дискретному и близкому к статическому взаимодействию стоп с грунтом, практически не разрушают экологически ранимый почвенный покров. Предполагается использование шагающих робототехнических комплексов для аварийно-спасательных работ в экстремальных условиях и ликвидации последствий природных и техногенных катастроф. Проведение ремонтно-восстановительных работ на очистных сооружениях промышленных предприятий. Возможно использование мобильных робототехнических систем с шагающими движителями в военных целях. Шагающие машины могут оказаться эффективными при ликвидации последствий военных действий, например, для поиска и разминирования мин. Известны разработки шагающих роботов для исследования поверхности планет. Существуют шагающие роботы, для передвижения внутри труб и для вертикального перемещения. В последнее время также становятся популярными шагающие роботы для домашнего сервиса, отдыха, медицины.
В настоящее время разработки шагающих машин ведутся во всех развитых странах. Существует несколько полномасштабных образцов (массой более 1 т) пригодных для реальных транспортно-технологических операций (рис 1). К ним, в частности, относятся шагающая машина ASV (США), предназначенная для передвижения по пересеченной местности, мобильный робот Ambler (США), спроектированный по заказу NASA, шагающий робот MECANT, разработанный в Хельсинкском технологическом университете, а также финская шагающая машина фирмы Plustech, предназначенная для лесного хозяйства. [Чернышев, 2008]
Рис. 1. Шагающие машины «тяжелой» весовой категории (массой более 1 т): ASV (a), Ambler (б), Plustech (в), MECANT (г)
Реализация предлагаемого подхода для построения шагающих роботов может быть достигнута путем решения проблемы сенсорных систем для автоматов. Эта проблема была решена путем применения наборов датчиков, объединенных в сенсорную систему, способную измерять каждый параметр походки [Чернышев, 2008].
Создание шагающих механизмов - это задача с очень давней историей. Пожалуй, основные конструкторские принципы были еще в IX веке в работах Чебышева.
На рис 2 изображен стопоходящий механизм П.Л. Чебышева.
Рис 2. Стопоходящий механизм Чебышева
Сегодня исследования по механике и управлению движением мобильных роботов проводятся во всех развитых странах мира.
В области теории их движения и управления Россия, благодаря работам Ю. Ф. Голубева, В. Г. Градецкого, Е. А. Девянина, С. Л. Зенкевича, И. А. Каляева, А. В. Ленского, В. А. Лопоты, И. М. Макарова, И. В. Новожилова, Д. Е. Охоцимского, В. Е. Павловского, В. Е. Пряничникова, А. В. Тимофеева, А. М. Формальского, Е. И. Юревича, А. С. Ющенко и др. занимает одно из ведущих мест в мире.
Вопросы механики шагающих движителей наиболее детально рассматриваются в работах ученых Института машиноведения РАН, где разработана теория построения рациональных движителей многоногих шагающих машин.
В области теории движения и управления шагающими роботами адаптивного типа наиболее известны работы ученых Института прикладной математики РАН и Института механики МГУ показано, что решение таких сложных задач как построение адаптивного движения конечностей, обеспечение статической устойчивости шагающих машин, стабилизация и управление движением и др. могут быть успешно решены.
Наиболее детально вопросы механики и управления движением многоногих шагающих аппаратов рассмотрены в монографии Д. Е. Охоцимского и Ю. Ф. Голубева. В работе определяются методы описания и исследования походок многоногой машины, рассматриваются вопросы статической устойчивости и распределения реакций при движении шагающей машины, описывается динамическая модель движения, рассмотрены вопросы построения движения шагающих движителей, вопросы стабилизации движения и методы построения законов движения машины на местности.
При разработке шагающих аппаратов весьма актуальны проблемы динамики и управления движением. Так же рассматриваются вопросы математического моделирования управления движением и энергозатраты; рассматриваются задачи динамики управляемого движения шагающих машин и вопросы связанные с синтезом их систем. Разрабатываются алгоритмы управления и динамическая и динамическая модель управления шагающими аппаратами. На практике часто используют несколько математических моделей для изучения характеристик одной и той же машины в разных режимах ее движения, учитывая наиболее существенные для данного режима факторы. В этих условиях целесообразно иметь универсальную обобщенную динамическую модель, которая может быть трансформирована в более простые модели при решении частных задач [Чернышев, 2008] Однако, для поставленных задач в данном дипломном проекте, нет необходимости в построении математической модели, поэтому все исследования будут проводиться на натурном макете.
Kondo. Японская компания Kondo представляет свой продукт на рынке - шестиного робота KMR-M6 (рис 3) - простую и доступную платформу. Стоимость данного продукта примерно $900.
Рис 3. Шагающий шестиногий робот KMR-M6 (фото с сайта .prorobot.ru)
В комплекте с KMR-M6 поставляется объемный набор дополнительных элементов: проставки, камера, сервомоторы, захваты. Робот несет на борту аккумулятор емкостью 800 мАч, бортовая сеть функционирует при напряжении 10,8 В. В комплект поставки также входит зарядное устройство, однако время автономной работы KMR-M6 производитель не заявляет. [prorobot]
Hexapod Robot Kit. Hexapod Robot Kit (Китай) - шестиногий паук (рис 4), который может передвигаться по пересеченной местности. CDS5516 сервомашинки имеют параметр 14kg/cm максимального крутящего момента, что позволяет роботу стоять даже на двух ногах. Платформа позволяет добавить множество датчиков и модулей для всех ваших потребностей. Цена данного продукта 40 000р. [electronshik]
Наборы комплектующих. Также на рынке робототехники существуют комплектующие, на основе которых можно самому построить шестиногого шагающего робота, такие как сервоконтроллер Pololu Mini Maestro 12-каналов USB. Pololu Mini Maestro - очень универсальный сервоконтроллер и плата общего назначения ввода/вывода. Он поддерживает три способа управления: USB для прямой связи с компьютером, последовательный TTL для использования со встроенными системами, и с внутренними скриптами для автономного использования. Каналы могут быть сконфигурированы как серво выходы для использования с сервоприводами или как электронный регулятор оборотов, как цифровые выходы, или как аналоговые входы. У чрезвычайно точного импульса с высокой разрешающей способностью задержка меньше чем 200 нс, что позволяет этому сервоконтроллеру удовлетворить самые требовательные области как робототехника и аниматроника, встроенное управление скоростью и ускорением для каждого канала, позволяет получать плавные движения, без рывков и не требует чтобы источник контроля постоянно вычислял и передавал промежуточные обновления положения к Pololu Mini Maestro. Pololu Mini Maestro также позволяет конфигурировать частоту импульса от 1 до 333 Гц, этот широкий диапазон импульса дает большую точность и рабочий ход современным сервомоторам. Устройства могут быть сопряжены с дополнительными серво- и мото- контроллерами по единственной последовательной линии.
Программа конфигурации и управления, для Windows и Linux позволяет просто сконфигурировать и протестировать устройство по USB, создать последовательности перемещений сервомотора для аниматроники или шагающих роботов, пошагово записать и выполнить скрипты, сохраненные в сервоконтроллере. 8 Кбайт внутренней памяти Pololu Mini Maestro позволяет хранить скрипты с приблизительно 3000 позициями сервомоторов, которые могут быть автоматически воспроизведены без компьютера или внешнего микроконтроллера.
Поскольку каналы Pololu Mini Maestro могут также использоваться как цифровые выходы общего назначения и аналоговые входы, они предоставляют возможность считать показания с датчиков и управлять периферией непосредственно с ПК по USB. А также эти каналы могут использоваться системой совместно со скриптами для создания аниматроники, которые могут отвечать на внешние стимулы, вызывая дополнительные события при управлении сервоприводами. Стоимость этого микроконтроллера порядка 900 руб.
Так же имеются в продаже сервоприводы, такие как HSR-5498SG с увеличенным крутящим моментом. Скорость 0.22/0.19 сек, крутящий момент 6.0/7.4V 11/13.5 кг. Стоимость такой машинки порядка 2500 р. [all-robots.info].
Согласно общепринятой классификации, шагающие машины можно разделить на следующие категории, характеризуемые способом построения траектории движения опоры или управления ей: на основе замкнутых рычажных систем; с моделированной траекторией; с педипуляторным управлением и адаптивные.
Шагающие машины на основе замкнутых рычажных систем обеспечивают неизменную траекторию опоры. В качестве механизма шагания либо используется готовый механический преобразователь, либо по выбранной оптимальной траектории синтезируется нужный механизм. К характерным недостаткам этого класса машин можно отнести неравномерность вращения ведущего вала привода; отсутствие управления высотой машины; отсутствие возможности выбора точки опоры и др.
Более эффективным передвижением обладают шагающие машины с гибкой моделированной траекторией. В этом случае выбранная номинальная траектория может изменяться оператором по нужным параметрам. Существенный недостаток данного типа машин заключается в проблеме обеспечения устойчивости и простого способа управления.
Шагающие машины с педипуляторным управлением основаны на использовании обратной силовой связи. Человек контролирует свои физические действия посредством нескольких органов чувств, а основной механизм шагания реагирует на усилие и перемещение конечностей человека. При этом часть усилия на механизме шагания в виде отраженного сигнала через обратную силовую связь воздействует на органы чувств человека, воспроизводя в соответствующем масштабе реальную физическую картину внешнего воздействия. Другим направлением в создании систем с педипуляторным управлением явилось создание так называемых антропоморфных экзоскелетонов, крепящихся на тело человека в виде скафандра и предназначенных, во-первых, для увеличения силовых возможностей человека, во-вторых, для реабилитации двигательных функций парализованных больных. Шагающие машины с педипуляторным управлением имеют существенный недостаток - движение осуществляется при непосредственном участии человека и при этом интенсивность работы машины определяется физическими возможностями оператора.
Еще одним направлением является создание адаптивных шагающих машин, в которых человеческие возможности с точки зрения мышления и органов чувств заменяются датчиками адаптации и вычислительной техникой. Продолжающиеся успешные разработки систем управления и адаптации позволяют надеяться на возможность создания подобных шагающих механизмов, представляющих практический интерес. Машины этого направления имеют много общего и развиваются параллельно с промышленными роботами и манипуляторами, управляемыми от ЭВМ. [Афанасьев и др. 2005]
Среди известных механизмов шагания наиболее широко исследованы телескопическая, ортогональная, пантографная схемы (рис. 5) и плоские цикловые механизмы (рис. 6). Телескопическая, ортогональная и пантографные схемы, как правило, представляют собой плоские механизмы шагания. Возможно использование телескопических, ортогональных и пантографных пространственных схем. В этом случае их габариты значительно возрастают. «Лошадиная» и инсектоморфная (в частном случае антропоморфная) являются пространственными схемами. Эти схемы зачастую копируют конечности животных и насекомых (рис. 7). [Чернышев, 2008]
Рис. 5. Схемы шагающих движителей: телескопическая (а), ортого- нальнальная (б), пантографная (в), «лошадиная» (г), инсектоморфная (д)
Рис. 6. Цикловые механизмы шагания: 4-х звенный (а); 4-х звенный с измененяемым положением оси коромысла (б); 6-ти»звенный (в); 4-х звенный с корректором закона вращения кривошипа (г)
Рис. 7. Кинематическая схема инсектоморфного механизма шагания:
1, 2, 3 -- звенья механизма шагания, 4 -- корпус машины
ID - номер контроллера; n - значение вектора состояния
n - значение времени, указанное в миллисекундах.
...
Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации. дипломная работа [1,8 M], добавлен 10.04.2017
Исходные данные для разработки цикловой системы управления и проектирования усилителей управляющих сигналов. Блок-схема алгоритма работы системы управления пятью гидроцилиндрами промышленного робота. Принцип работы схемы и расчет силовых ключей. курсовая работа [136,0 K], добавлен 08.06.2014
Создание системы технического зрения для робота-манипулятора. Принцип иерархичности системы управления роботом. Вычисление характеристик объекта. Основные требования к алгоритмам управления. Разработка метода контурного анализа. Эквализация контуров. курсовая работа [919,3 K], добавлен 06.01.2013
Существующие разработки змеевидных роботов и их природные прототипы: движение змей в природе, его механизация. Змеевидный робот Кевина Доулинга и Дору Михалачи, принципы управления ими. Разработка системы управления для змеевидного робота – "Змеелок". дипломная работа [4,3 M], добавлен 03.02.2012
Анализ вариантов подключения и построения контроллеров индикации на PIC микроконтроллерах. Проектирование модулей системной шины ISA. Разработка обобщенной схемы модуля. Методы построения алгоритмов инициализации и управления, разработка программы. курсовая работа [574,7 K], добавлен 04.09.2012
Аналитический обзор существующих систем управления. Выбор датчиков и исполнительных механизмов. Разработка структурной схемы системы управления зажиганием двигателя внутреннего сгорания. Внедрение программы в ЭВМ. Расчет надежности системы управления. дипломная работа [3,1 M], добавлен 19.01.2017
Общая характеристика электроэрозионного оборудования. Описание существующего проволочного станка AC Classic V2. Разработка структурной схемы автоматизированной системы управления. Техническая реализация проекта системы управления и диагностики параметров. дипломная работа [7,1 M], добавлен 05.04.2012
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Базовые механизмы управления шагающим роботом дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Реферат по теме Этика юриста (адвоката)
Контрольная Работа На Тему Права И Обязанности Природопользователей В Республике Беларусь
Реферат Образец Для Школьника 3 Класса
Методичка На Тему Социология
Реферат: Задачи по Теоретической менханике
Контрольная работа по теме Ответственность за нарушение договорных обязательств. Правовые вопросы оплаты труда
Курсовая работа по теме Обоснование качественной и количественной характеристики сточных вод сульфитного производства беленой целлюлозы и белой древесной массы
Курсовая работа: Джон Ф. Кеннеди – человек и политик
Контрольная работа: Разговорная речь
Контрольная работа: Синтез частотных характеристик линейных систем автоматического регулирования
Собрание Сочинений Носова
Курсовая Работа По Методике Начальных Школах
Курсовая Работа На Тему Мережа Доступу Icatv+Ethernet (Мережа Інтерактивного Кабельного Телебачення Плюс Мережа Ethernet)
Реферат Радиационная Безопасность В Рентгенкабинете
Курсовая Работа На Тему Автоматизация Работы Фирмы По Продаже Квартир
Формирование Законодательства Древнерусского Государства Историческое Сочинение
Как Писать Реферат Образец План Для Студентов
Контрольная Работа На Тему Организационно-Кадровый Аудит
Реферат: Новеллы эпохи Тан. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Формы безналичных расчетов
Минерально-сырьевая база Красноярского края - Геология, гидрология и геодезия реферат
Расследование преступлений, связанных с незаконным оборотом наркотиков - Государство и право курсовая работа
Редкоземельные металлы - Геология, гидрология и геодезия реферат