Разработка программно-аппаратного комплекса обеспечения движения по гладкой и пересечённой местности антропоморфных робототехнических комплексов с приводами переменной жёсткости

Соглашение № 14.606.21.0007 от 26.09.2017 г.

на период 2017 – 2020 гг. с Министерством образования и науки Российской Федерации в целях реализации Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы".

Руководитель проекта:

доцент Университета Иннополис - Климчик А.С.

Индустриальный партнер:

ПАО «НПО Андроидная Техника»

Финансирование:

Средства субсидии: 60 млн. рублей.

Средства Индустриального партнера: 54,4 млн. рублей.

Собственные средства получателя субсидии: 30 млн. рублей.

Цели проекта:

  • Разработка универсального модульного кроссоплатформенного программно-­аппаратного комплекса обеспечения движения по гладкой и пересеченной местности антропоморфных робототехнических комплексов с приводами переменной жёсткости.
  • Разработка программно-аппаратного комплекса для интерактивной антропоморфной робототехнической платформы и взаимодействия её с человеком.
  • Разработка программного комплекса автономного движения антропоморфной робототехнической платформы по заранее известной и неизвестной динамически изменяющейся пересечённой местности.

Согласно план-графику исполнения обязательств, запланировано 4 этапа научно-исследовательской работы:

1 этап. Выбор направления исследований.

2 этап. Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач. Разработка экспериментального образца программного комплекса системы управления.

3 этап. Экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач. Обобщение и оценка результатов исследований.

4 этап. Подведение итогов реализации проекта.

Результаты научно-исследовательской работы, полученные на 1 этапе:

За отчетный период выполнен аналитический обзор литературы и патентные исследования в рамках ПНИ, включая российские и зарубежные источники.

Объектами исследований явились существующие модели антропоморфных роботов (АР), способы моделирования механики движения, способы и системы управления механикой движения АР по гладкой и пересеченной местности, а также существующие модели и способы разработки и управления приводами переменной жесткости (ППЖ) и их имплементация на АР.

По результатам обзора и патентных исследований определены направления проведения исследований, а также обоснована эффективность предлагаемых к разработке методов и алгоритмов.

Далее была проведена разработка принципов действия и конструкции для от-работки алгоритмов управления ППЖ, отработки алгоритмов управления устойчивым движением АР с ППЖ и его калибровки, а также для отработки алгоритмов локализации и картографирования.

В результате получены схемы и описание основных компонентов для их дальнейшей разработки и изготовления.

Был проведен анализ, выбор и обоснование методов и средств разработки программной части комплекса.

Указаны преимущества и недостатки выбранных нами инструментов разработки.

Индустриальный партнер провел исследования существующих методов и технических решения для разработки конструкции АР с ППЖ с уточнением требований к конструкции ППЖ коленного и голеностопного модулей.

Полученные результаты показали необходимость усовершенствования узлов антропоморфной платформы AR601 для дальнейшего использования ППЖ.

С целью освещения и популяризации промежуточных результатов ПНИ сотрудники исследовательской группы приняли участие в ряде мероприятий, включая выступления на конференциях.

Результаты научно-исследовательской работы, полученные на 2 этапе:

В ходе выполнения данного этапа НИР были получены ряд существенных научных и технических результатов в области проектирования и управления двуногими шагающими роботами (ДШР) с приводами переменной жесткости (ППЖ) движущимися по пересеченной местности в различных режимах. Среди полученных результатов можно выделить группы, такие как результаты разработки новых методов управления и обработки сенсорной информации и их алгоритмической реализации, результаты разработки программного обеспечения, результаты проектирования и изготовления, и результаты экспериментальных исследований. Кроме этого, были выполнены другие необходимые согласно техническому заданию и календарному плану работы, такие как обнародование полученных результатов в научной периодике и участие в научно-технических мероприятиях.

Полученные результаты в области разработки способов управления шагающими роботами с приводами переменной жесткости для перемещения по неровным опорным поверхностям включают ряд компонент, в том числе:

  • разработка алгоритма выполнения движения типа «следуй за мной», в процессе которого робот непрерывно распознает оператора и поддерживает заданное расстояние до оператора;
  • разработка алгоритма одновременного картографирования и локализации робота, способного предоставлять карты местности, приемлемые для системы генерации шагов робота;
  • методы и алгоритмы генерации траекторий центра масс и точки нулевого момента робота, учитывающие свойства опорной поверхности, наличие неровностей, расположение стоп робота в процессе ходьбы и предоставляющие запас устойчивости;
  • методы и алгоритмы оценки качества траекторий центра масс и точки нулевого момента робота;
  • методы управления двуногим шагающим роботом с обратной связью учитывая ограничения на величины моментов приводов и наличие односторонних неудерживающих механических связей и наличия приводов переменной жесткости; реализация управления как оптимизационной задачи (задачи квадратичного программирования), управления как задачи предиктивного управления (от англ. model predictive control, MPC) и др.;
  • методы обеспечения энергоэффективности и надежности робота за счет организации управления с податливостью и снижения ударных воздействий при приобретении контакта с объектами окружения.

Полученные результаты в области разработки программного обеспечения включают:

  • программный комплекс управления движением шагающим роботом при перемещении по пересеченной местности состоящий из набора модулей, подключаемых библиотек и программных блоков;
  • модуль устойчивого передвижения АР с ППЖ для перемещения по пересечённой местности включающий блоки генерации траекторий, их анализа, блоки управления с обратной связью и др.;
  • модуль автономного перемещения и обхода препятствий АР в режиме «следуй за мной», «следуй впереди меня», «возврат на исходную точку», включающий систему распознавания препятствий и распознавания оператора, реализованный используя машинное обучение и глубокие искусственные нейронные сети;
  • модуль локальной и глобальной навигации и картографирования для антропоморфного робота для работы в режиме реального времени, реализующий обработку сенсорной информации, поступающей от систем типа LIDAR, и строящий карту местности позволяя роботу планировать перемещение по этой карте используя алгоритмы планирования последовательностей шагов;
  • модуль удалённого управления антропоморфной робототехнической платформой, реализующий интерактивные интерфейсы для оператора шагающего робота, позволяющие ему эффективно управлять роботом в режиме реального времени.

Полученные результаты в области проектирования и изготовления включают серию экспериментальных стендов, пригодных для отработки алгоритмов управления, разрабатываемых для двуногого шагающего робота с приводами переменной жесткости. В частности, разработанные стенды позволяют исследовать общие вопросы управления механическими системами с ППЖ, изучать вопросы организации управления с податливостью для механических систем с ППЖ, исследовать вопросы управления при наличии периодического контакта с опорной поверхностью и производить проверку работоспособности программного обеспечения, разработанного для антропоморфного робота. Результаты этих экспериментальных исследований приведены в отчете.

Были проведены дополнительные патентные исследования с использованием специализированных электронных патентных баз данных по классам МПК и ключевым словам, характеризующим область поиска, глубина поиска по классам МПК составила 20 лет, количество отобранных релевантных источников информации составило 66 единиц. По результатам исследований были поданы на регистрацию и получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2018663251 от 24.10.2018 г. «Система управления мобильной робототехнической платформой с дифференциальным приводом»; № 2018663403 от 26.10.2018 г., «Система сравнения карт, полученных с помощью различных алгоритмов картографирования, с эталонными картами»).

С целью освещения и популяризации промежуточных результатов ПНИ сотрудники исследовательской группы приняли участие в ряде мероприятий, в том числе конференции «15th International Conference on Intelligent Autonomous Systems IAS-15», конференции «18th IFAC Conference on Technology, Culture and International Stability», конференции «Прогресс транспортных средств и систем-2018», заседании круглого стола по теме «Классические и перспективные задачи робототехники в интересах промышленных предприятий», конференции «ICARCV 2018».

В рамках проекта было закуплено необходимое оборудование и материалы. В частности, были приобретены Датчик силомоментный FTN-MINI40-E-5-NETBA-0,2 SI-40-2 - 2 шт., отладочные комплекты Jetson TX2 945-82771-0018-000 - 3 шт., датчик ORBIS SPI 5V 14M – 20 шт., актюатор ORBIS 6MM STD – 10 шт., актюатор ORBIS 8MM STD – 10 шт., электромотор T-Motor U8 Lite KV85 – 10 шт., подвес трёхосевой DYS BLG3SN для Sony NEX – 1 шт., контроллер для трёхосевого подвеса Alexmos SimpleBGC 32bit v3.0 – 1 шт., необходимые для проведения экспериментальных исследований и отладки работы системы управления с использования экспериментальных данных. Были закуплены высокопроизводительные вычислительные блоки (Core i9-8950HK (2,9GHz) Ultrasharp 15,6" IGZO UHD (3840x2160) Antiglare16GB (2x8GB) DDR4 512GB SSD Nv Quadro P2000 (4GB DDR5) 6 cell (97WHr) 2x Thunderbolt 3 Smart Card, FPR,TPM 3y W10 Pro) - 3 шт. для обработки сенсорной информации, проведения математических экспериментов, решения некоторых задач машинного обучения и др. Были приобретены 3D принтер Ultimaker S5 и комплект расходных материалов для изготовления экспериментальных стендов и решения задач быстрого прототипирования. Был приобретен источник питания ГОРН-К-48В/150А для проведения лабораторных исследований и тестов.

Поставленные в рамках данного этапа работ задачи были решены в полном объеме и позволяют перейти к следующему этапу НИР. Полученные результаты могут использоваться в проектах, связанных с проектированием и разработкой шагающих роботов различных типов, в особенности двуногих антропоморфных роботов. Эти результаты представляют самостоятельный научный интерес, связанный с затронутыми вопросами управления роботами с ППЖ, движущимися по пересеченной местности. Такого рода задачи ранее не рассматривались и их решение может позволить значительно расширить возможности антропоморфной техники и произвести должный экономический эффект.

В центре внимания

Сайт находится в технической разработке