Автоматизированное управление многоцелевой робототехнической системой

1.

Актуальность темы

диссертации

В настоящее время в робототехнике одно из наиболее актуальных и перспективных направлений — разработка робототехнических систем (РТС), предназначенных для обслуживания космических объектов, в первую очередь роботизированных комплексов (РТК) для обслуживания крупногабаритных орбитальных станций. Начиная с семидесятых годов XX века работы по созданию РТС космического назначения в СССР, а затем в России проводились в таких организациях Москвы и Ленинграда (Санкт-Петербурга), как МВТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК, ИПМ им. Келдыша, ВНИИТРАНСМАШ, ЦНИИМАШ и др. Из публикаций на указанную тематику в первую очередь следует отметить монографии и статьи таких ведущих ученых, как Е. И. Юревич, М. Б. Игнатьев, А. В. Тимофеев, Ф. М. Кулаков, A.C. Ющенко. Актуальные задачи космической робототехники, начиная с восьмидесятых годов, регулярно обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах. ЦНИ РТК в течение многих лет является ведущим центром по обмену опытом в рассматриваемой области и по координации исследований по некоторым направлениям. Начиная с 1990 года в ЦНИИ РТК ежегодно проводятся всероссийская научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника», в программе которой тематика, связанная с освоением космоса, занимает значительное место.

Коллективом ЦНИИ РТК также внесен значительный вклад в космическую робототехнику, выполнена целая серия опытно-конструкторских работ. В первую очередь следует упомянуть доведенную до экспериментального образца разработку уникального большого манипулятора для космического корабля «Буран». Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию РТС космического назначения, в которых принимал участие автор, выполнялись и выполняются в ЦНИИ РТК с 1975 года по настоящее время согласно Постановлениям Правительства СССР и РФ и по договорам с Российским авиационно-космическим Агентством, РКК «Энергия», Европейским

Космическим Агентством, Космическим Агентством КНР и другими мощными специализированными организациями.

В 1999;2004 годы в ЦНИИ РТК была создана манипуляционная РТС «Dores», в научно-исследовательских разработках которой и в проектировании программного обеспечения принимал участие автор данной диссертации.

Данная диссертация, материал которой является результатом научного обобщения прикладных исследований, выполненных в процессе проектирования указанных РТС, посвящена разработке предметно-ориентированного языка для многоцелевых космических РТС на основе систематизации технических требований к подлежащих выполнению технологическим и вспомогательным операциям. Анализ, показал, что многообразие функций и операций с использованием космических РТС требует применения многоцелевых манипуляционных многостепенных систем.

В соответствии со спецификой требований, которые предъявляются к космическим РТС, автором обосновано разделение транспорта ых и манипуляционных задач по двум типам:

— выполнение операций и осуществление обычно достаточно простых движений в больших объемах, на больших расстояниях и с крупногабаритными грузами при относительно невысоких точностях перемещения (такие работы, чаще всего, требуются при внекорабельной деятельности РТС, например, при транспортировании контейнеров);

— выполнение операций и осуществление движений в относительно малых объемах («на рабочем месте») с малыми грузами и нагрузками, при требуемой высокой степени точности перемещения, позиционирования и отработки программных траекторий в условиях взаимодействия с широким спектром разнообразного обслуживаемого оборудования (подобные работы осуществляются либо внутри космического корабля, либо вне корабля для небольших монтажных и ремонтных работ, не требующих перемещений крупногабаритных грузов).

Разработанный в ЦНИИ РТК и доведенный до экспериментального образца специализированный космический манипулятор «Dores», который предназначается для выполнения операций второго типа, способен выполнять широкий спектр сложных операций, таких, как открытие/закрытие крышек люков, извлечение/помещение полезного груза из/в шлюзовой камеры, перемещение груза из одной точки крепления в другую, операции по обработке поверхностей и нанесения покрытий, информационно-измерительные операции, связанные со слежением (посредством встроенной системы технического зрения) как за летящими объектами (с целью их захвата), так и за техническим состоянием узлов и конструкций космической станции.

В условиях интенсификации использования космических станций для обеспечения условий выполнения широкого круга работ внутри отсеков и на внешней поверхности особую роль приобретает создание и использование РТС, оснащенных системами супервизорного управления с элементами адаптации и искусственного интеллекта. Характерными чертами таких РТС в будущем должны стать свойства автономности, мобильности, возможности осуществлять функции понимания, интерпретации и обработки информации, на высоких уровнях производить логические выводы и принимать решения. Необходимо учитывать, что как требуемая степень автономности при решении различных задач, так и неупорядоченность окружающей среды, для условий космоса будет неуклонно возрастать.

Обычная система управления (СУ) РТС, в соответствии с общими принципами теории автоматического управления и традициями в этой области может содержать децентрализованные подсистемы управления приводами каждой степенью подвижности с тремя контурами обратных связей (токовой, скоростной, позиционной) с соответствующими датчиками.

Для решения более сложных задач и реализации адаптивного управления помимо обычных датчиков обратных связей необходимы следующие внешние сенсоры и сенсорные системы: многокомпонентный силомоментный датчик, установленный в запястье рабочего органатактильные датчикисистема технического зрения (СТЗ).

В ходе выполнения совместно с сотрудниками ЦНИИ РТК работ по расчету и проектированию специализированных космических РТС, перед автором данной диссертации в первую очередь были поставлены базовые задачи, непосредственно связанные с синтезом систем, законов и программ управления роботом при выполнении номинальных (штатных) операций. При этом наличие у робота адаптивных и интеллектуальных свойств позволит значительно повысить эффективность, надежность и качество выполнения этих операций и расширит его возможности для других заданий при изменяющихся условиях. Поэтому задачи разработки приближенных методов анализа динамики роботов при ориентации на оперативное получение результатов с возможностью простого оценивания влияния различных факторов и требований нормирования являются актуальными. Перспективами расширения функциональных возможностей космических РТК определяется актуальность темы диссертации и расстановка в ней акцентов.

В данной работе поставлено целью разработать научные основы проектирования систем управления многоцелевых РТС космического назначения, предназначенных для выполнения на борту космической станции комплекса манипуляционных задач в режимах автоматического и супервизорного управления со свойствами адаптивности и искусственного интеллекта.

Для достижения формулированной цели в рамках настоящей работы решены следующие основные задачи адаптивного и интеллектуального управления:

• разработать новый, эффективный способ создания унифицированного программного обеспечения РТС космического назначения;

• проработать новый метод планирования движений манипулятора, опирающийся на базовый класс примитивов действий роботов в виде типовых или элементарных операций различного типа;

• сформулировать и формализовать задачи управления на уровне установления целей и выработки заданий по поиску объектов и манипулированию с объектами с помощью системы технического зрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

— кинематические и динамические математические модели типового механизма космического манипулятора с приводами;

— методы построения сложных и комбинированных движений робота при выполнении типовых технологических и вспомогательных операций, набранных из элементарных примитивов;

— принцип построения унифицированного программного обеспечения для управления манипуляторами;

— реализация указанного принципа в программном обеспечении космической РТС.

Основные результаты, полученные в диссертации, формулируются следующим образом.

1. В области космических технологий имеется потребность в создании манипуляционных роботов, способных выполнять такие операции, как: перенос объекта из одного положения в другое, выполнение сборочно-разборочных операций, слежение за движущимися объектами и т. д. Все операции могут быть представлены как последовательность элементарных технологических операций — фреймов, которые приняты за основу модулей программного обеспечения, причем, фреймы, в работе названные «технологическими операциями» (ТОП), также могут состоять из более мелких (атомарных) ТОПов. Иерархия фреймов позволяет задавать всевозможные операции для робототехнических систем.

2. Предложенный для использования и доработанный автором один из самых удобных способов построения систем координат звеньев по методу Денавита-Хартенберга дает возможность однообразно описывать кинематические схемы манипуляторов и проще находить подход к возможному аналитическому решению обратных кинематических задач. Здесь доработка заключается в том, что разные кинематические схемы манипуляторов параметризуются некотором двоичным числом, что позволяет более общо описывать разные модели манипуляторов.

3.Установлено, что из проработанных двух методов построения геометрической модели манипулятора и решения обратной кинематической задачи первый, аналитический метод решения обратной задачи более приспособлен для автоматизации вычислений и программирования движений, а второй является более наглядным. Используя описанную выше параметризацию, в некоторых случаях возможно автоматическое решение прямой и обратной кинематических задач, но эта идея требует дальнейшего изучения.

4. В качестве наиболее перспективного и эргономичного автором предложены и проработаны алгоритмы ручного управления движением манипулятора по траекториям от задающих рукояток, при которых используются решения обратной задачи кинематики. Движения производятся в позиционно-скоростном режиме, что позволяет наиболее точно контролировать положение манипулятора.

5. Выполненный по результатам расчетов анализ зависимостей моментов нагрузки в шарнирах при типовых движениях манипулятора космического робота «Вогея» позволил сформулировать обоснованные предложения по изменению параметров приводов, которые будут учтены в следующих модификациях.

6. Разработанный и реализованный полностью оригинальный метод верификации телекамеры посредством зеркала позволяет оперативно, просто и точно находить привязку телекамеры к роботу, что, как известно, играет немаловажную роль при работе с системами технического зрения: Причем, верификация телекамеры может проводиться и во время работы, что не требует особого оборудования и дополнительного времени.

7. Для более оперативного создания программного обеспечения систем управления робототехническими средствами автором предложена структура максимально унифицированного ПО, позволяющая реализовывать системы управления вновь создаваемыми РТС максимально быстро.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

AI. Васильев И. А. Создание тренажеров для технических систем. // Материалы 2-й научно-технической конференции «тренажерные технологии и симуляторы.» 10 июня 2003 года. Санкт-Петербург 2003 г.

А2. Васильев. И. А Архитектура программного обеспечения системы управления динамическими объектами. // журнал «Искусственный интеллект» № 3, 2003. (УДК 004.45) A3. Васильев И. А. Система безопасности манипуляционных роботов. // журнал «Искусственный интеллект» № 4, 2003. (УДК 004.896) A4. Васильев И. А., Половко. С. А. Структуризация и унификация программного обеспечения. // XXXII неделя науки СПбГПУ, Материалы межвузовской научно-технической конференции 24−29 ноября 2003 года. Часть V (УДК 681.5.007). Санкт-Петербург 2003 г. А5. Васильев И. А., Ляшин A.M. Разработка программного обеспечения системы управления робототехническими средствами. // Труды Международной школы-семинара «Адаптивные роботы-2004». Санкт-Петербург 2004 г.

А6. Васильев И. А., Ляшин A.M. Юстировка системы технического зрения с использованием отражения ориентиров от зеркальной поверхности. // Журнал «Искусственный интеллект» № 3, 2004 А7. Lyashin A.M., Vasilyev I.A. Classification and analytical solution for inverse kinematical problem for 6-DOF manipulators. // Труды конференции «Mechatronics & Robotics '04» Aachen — Germany A8. Васильев И. А., Ляшин A.M. Аналитическое решение обратной кинематической задачи для шестизвенных роботов-манипуляторов. // Журнал «Автоматизация в промышленности» (из списка ВАК), октябрь 2008

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.