Главная » 2014 » Сентябрь » 21 » Скачать Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения. Корянов, Виктор Владимирович бесплатно
2:17 AM
Скачать Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения. Корянов, Виктор Владимирович бесплатно
Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения
Диссертация
Автор: Корянов, Виктор Владимирович
Название: Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения
Справка: Корянов, Виктор Владимирович. Алгоритмы преодоления шагающим аппаратом высоких препятствий за счет сил кулоновского трения : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.02.01 Москва, 2005 122 c. : 61 05-1/1304
Объем: 122 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
1 Ситуационное моделирование
11 Описание виртуальной среды
12 Формирование динамической модели робота
13 Синтез управления
131 Планирование движений ног относительно корпуса
132 Сервоуправление
2 Построение двиисений
21 Регулярные походки
22 Равновесие при залезании на вертикальный угол и столб
23 Построение движения для преодоления препятствий
231 Залезание на вертикальный угол
232 Залезание на вертикальный столб
24 Маневр на вершине
25 Перелезание на уступ, случай/ii =/г — 06а
26 Перелезание на уступ, случай h\ = h + 035а
27 Перелезание на уступ, инверсный метод
28 Перелезание на уступ, случай hi = h — 02а
29 Построение движения по горизонтальному брусу
291 Движение по узкой следовой колее
292 Стабилизация движения при нарушении статической устойчивости
3 Программная реализация
31 Блок-схема управления
32 Базовые входные данные, инициализация
33 Кинематическое состояние объекта
34 Действующие силы и моменты
35 Обработка сообщений о ходе процесса интегрирования
36 Общая структура вызовов
4 Результаты моделирования
41 Параметры
42 Динамические свойства построенных маневров
Введение:
Актуальность темы. Изучению способности биологических существ передвигаться с помощью шагания посвящены работы [1-6]. В работах [7-12] исследованы аспекты, связанные с технической реализацией шагающих машин и построением их лабораторных и полунатурных макетов. Актуальность этих исследований обусловлена тем, что существует ряд областей практического применения мобильных роботов, в которых проходимости колесных машин недостаточно для решения возникаюпщх задач. Это, например, движение в среде с хаотически расположенными препятствиями больших размеров (завалы, разрушенные строения); движение при условии минимизации контакта с опорой (ходьба по тундре, по болотам, сельскохозяйственные работы, разминирование дорог); движение по трубам, по стержневым конструкциям; движение с минимальными повреждениями поверхностного слоя почвы и др. В работах, посвященных алгоритмам построения движений шагающих машин, есть естественная тенденция к усложнению опорных поверхностей при различных условиях, накладываемых на конструкцию робота.Шестиногие шагающие машины могут обеспечить достаточный запас статической устойчивости на всех стадиях движения по горизонтальной плоскости [7]. Разработки макетов таких машин были направлены на исследование возможности движения по опорной поверхности небольшого наклона со сравнительно малыми неровностями. Указанный тип поверхностей позволяет сохранять горизонтальную ориентацию корпуса робота [7-11], что позволяет обеспечить комфортабельность движения. Вместе с тем преодоление значительного количества препятствий невозможно при сохранении горизонтальной ориентации корпуса. Шагаюпще машины с сочлененным корпусом, так же как машины, способные совершать прыжки [7, 13, 14], позволяют отк{1заться от требования, чтобы неровности опоры были м{1лыми. При этом приемлемая высота препятствий оказывается сравнимой с максимальной высотой машины. Преодолеть ограничения на высоту препятствий в принципе возможно при использовании шагающих машин с вакуумными присосками в стопах [15, 16]. Эти машины способны двигаться по вертикальным стенам, и им необязательно обеспечивать статическую устойчивость. Вместе с тем они нуждаются в достаточно сложных устройствах для создания необходимого уровня вакуума в присосках.Очевидно, что в некоторых случаях шагающие машины имеют принципиальную возможность двигаться вдоль вертикальных поверхностей значительной высоты, используя только кулоновское трение в точках опоры.В наиболее трудных ситуациях при таком движении возникает необходимость преодоления веса робота посредством только сил трения. В качестве примера 01юрной поверхности такого типа, рассмотренной в данной работе, может служить вертикальный цилиндрический столб подходящего диаметра. Чтобы на него забраться, робот должен сжать столб и тем самым создать достаточную силу трения. Наличие пшсти ног облегчает задачу сжатия столба без потери равновесия, поскольку робот при движении может использовать симметричную следовую последовательность [17-21].Способность робота передвигаться по сложной местности можно выработать, последовательно обучая его преодолевать как изолированные препятствия, так и их разумные комбинации. Такой подход широко применяется для тренировок альпинистов, пожарных, спасателей и в других прикладных видах спорта. В данной работе разработан метод формирования движения при залезании на высокий уступ с использованием стоящего рядом с ним вертикального столба [22-24], и последующем переходе на другой такой же уступ по узкому горизонтальному брусу [25]. Высота каждого из уступов столь велика, что как изолированные препятствия они оказьшаются для робота нeпpeoдoJПIMыми. Вместе с тем способность робота карабкаться па столб и дгитее на его вершину, а также разработанный алгоритм движения но узкому брусу решают проблему преодоления указанной комбинации препятствий.Кроме того, рассмотрена задача о залезании на вертикальный прямой угол (угол дома) [26, 27].Актуальность перечисленных задач связана с тем, что универсальных алгоритмов построения движений шагающих роботов в произвольной среде пока не существует. Рассмотрение типичных препятствий и их комбинаций расширяет множество типов опорных поверхностей, по которым шагающие машины могут передвигаться.Цель работы. Разработка алгоритмов преодоления шестиногим шагающим роботом простейшей полосы препятствий при помощи кулоновского трения. Полоса препятствий состоит из вертикального цилиндрического столба, вплотную к нему стоящего высокого уступа, горизонтального бруса, переброшенного на другой вертикальный уступ. Исследование предельных случаев соотношения высот столба и уступов. Разработка алгоритма залезания па вертикальный прямой угол при тех же условиях. Определение технических характеристик робота, необходимых для выполнения построенных движений.Методика исследований. В рамках программного комплекса Универсальный механизм [28, 29] разработана виртуальная компьютерная среда, включающая математическую модель: динамики робота; препятствий; взаимодействия робота с препятствиями, системы реализации требуемых движений. Алгоритмы построения движений формировались на основе принципов сервоуправления [30] и отрабатывались с учетом результатов численного моделирования.Достоверность результатов определяется полнотой и корректностью выбранной математической модели робота и препятствий, результатами численного моделирования, результатами независимого тестирования работы комплекса Универсшгьный механизм.Научная новизна диссертации заключается в предложенных и отработанных средствами компьютерного моделирования в виртуальной среде алгоритмах формирования навыков преодоления шестиногим шагающим роботом типовых высоких препятствий, соединенных в последовательность.Теоретическая и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов управления шестиногими шагающими роботами, решающих большой спектр прикладных задач как высокопроходимое трансгюртное средство. Составные части разработанных алгоритмов представляют самостоятельную ценность и могут быть использованы как типовые элементы при построении движений для преодоления препятствий других видов, отличных от рассмотренных в работе.Объем и структура диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, список :н1тературы из 36 наименований и три приложеьшя. Работа изложена на 122 страницах текста, содержит 67 рисунков.В главе 1 дана формализация поставленной задачи и описана виртуальная среда, в том числе динамическая модель робота, принятая модель шарнирных электроприводов, метод реализации программных движений, опирающийся на принцип сервоуправления.Описана кинематика ноги с тремя степенями свободы — шарнирными углами, два из которых определяют положение верхнего звена относительно корпуса, а третий задает положение нижнего звена относительно верхнего.Описаны шарниры (как компоненты программной модели), соответствующие рассматриваемой конструкции робота. Приведены вязко-упругая модель кулоновского трения в точках контакта стоп с опорной поверхностью, а также метод построения траекторий переносов стоп на основе шаговых циклов.В главе 2 представлены алгоритмы формирования программных движеНИИ для принятых в работе типов препятствий и их комбинаций.Рассмотрены след1ующие препятствия: вертикальный прямой угол (угол дома); изолированный вертикальный прямой круговой цилиндр (столб); столб со стоящим за ним уступом, на уровне опорной горизонтальной площадки соединенным тонким горизонтальным брусом с другим уступом (полоса препятствий).Для случая залезания на прямой угол выполнен анализ распределения реакций в стопах при условии, что в контакте с препятствием находятся четыре стопы и робот неподвижен. Найдены реакции связей, необходимые для поддержания равновесия. Выявлено, что при коэффициенте трения 1 равновесие невозможно, однако при увеличении коэффициента трения до 1.1 равновесия можно добиться за счет алгоритмических приемов — в частности, увеличения расстояния между точками опоры.Приведены алгоритмы построения движения робота регулярными походками, залезания на вертикальный угол и столб, перехода с внешней поверхности столба на его вершину. В слу^ше стоявшего вплотную за столбом высокого уступа рассмотрены характерные соотношения высот препятствий — когда роботу необходимо наклонить корпус, чтобы достать до поверхности уступа, когда переход можно совершить, не меняя высоту корпуса над поверхностью вершины столба, и когда корпус необходимо поднять, то есть когда уступ выше столба. Для всех этих случаев разработаны и подробно прокомментированы алгоритмы построения движения.Для движения по узкому горизонтальному брусу между уступами алгоритмически реализована возможность стабилизации верхнего неустойчивого положения робота при опоре на две ноги за счет стабилизирующих маховых движений средних ног.Глава 3 посвящена подробностям моделирования и программной реализации исследуемого объекта, включая компьютерную реализацию динамических моделей робота, электродвигателей, силового взаимодействия и алгоритмического обеспечения. в главе 4 приведены и проинтерпретированы результаты моделирования, свидетельствующие о принципиальной реализуемости предложенных алгоритмов и выполнимости задач, поставленных перед роботом, В заключении даны основные результаты и выводы диссертационной работы.В приложении А приведен перечень обозначений и сокращений, использующихся в работе, в приложении В содержатся исходные коды модуля управления для движения по брусу, в приложении С — «кинограмма» этого маневра.Исследования по теме диссертации проводились в рамках работы по грантам РФФИ 01-01-00079, 04-01-00065 и программы «Государственная поддержка ведущих научных школ» (НШ - 1835.2003.1).
