Разработка и исследование комплекса программных решений создания энергоэкономичных систем управления механикой движения антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия

Соглашение № 14.609.21.0004 от 24.11.2014 г. на период 2014 – 2016 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: профессор Евгений Магид

Индустриальный партнер: ПАО «НПО Андроидная Техника»

Средства субсидии: 32 740 000 рублей

Внебюджетные средства: 27 600 000 рублей

rob1.jpg

Команда ЛИРС с антропоморфным роботом российского производства AR-601M

Сегодня одной из самых актуальных задач робототехники является задача разработки многофункциональных роботов повышенной проходимости, способные передвигаться, функционировать и выполнять определенную работу в рассчитанной, в первую очередь, на человека среде, в том числе в тяжелых и опасных условиях. В числе основных требований к подобным системам ­ способность заменить человека при выполнении разнообразных операций, включая способность передвижения в зданиях и использования изначально созданной для человека техники. Это, в свою очередь, накладывает на робота ограничения, связанные с антропоморфностью, т.е. тактико­технические характеристики робота должны учитывать типичные размеры, массу, кинематику и динамику человеческого тела, и сравнимую с человеком энергоэффективность выполнения операций. Наш проект направлен на расширение спектра задач, решаемых бипедальным роботом путем создания новых, а также улучшения и доработки существующих методов управления устойчивым движением двуногого шагающего робота (ДШР). В рамках прикладных научных исследований (ПНИ) разрабатываются алгоритмы обработки информации с датчиков в режиме реального времени и управления приводами робота для передвижения в сложной окружающей среде, образуя тем самым систему управления устойчивым движением антропоморфной робототехнической платформы.

Цели реализуемого проекта:

  • Исследование и разработка комплекса программных решений создания систем управления движения антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.
  • Создание экспериментального образца программного комплекса системы управления движением антропоморфных робототехнических комплексов на основе контроля статического и динамического равновесия.

rob17.jpg

Согласно план-графику исполнения обязательств, запланировано 5 этапов научно-исследовательской работы:

1 этап. Выбор направления исследования (принят)

2 этап. Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач (принят)

3 этап. Разработка экспериментального образца программного комплекса системы управления

4 этап. Экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач

5 этап. Обобщение и оценка результатов исследований

Текущие результаты исследовательской работы:

  • Проведен аналитический обзор литературы.
  • Проведены патентные исследования в рамках ПНИ.
  • Определены направления проведения исследований.
  • Обоснована эффективность предлагаемых к разработке методов и алгоритмов.
  • Разработана кинематическая модель робота и многоуровневые математические модели системы управления движением робота в среде Matlab/Simulink

rob4.png rob5.png

Кинематические модели робота в среде Matlab/Simulink с 6 (слева) и 12 степенями свободы (справа)

 

  • Проведено моделирование системы управления робота в среде Matlab/Simulink

rob6.png rob7.jpg

Движение моделей с 6 степенями свободы (слева) и 41 степенями свободы (справа) в среде Matlab/Simulink; при движении со слишком высокой скоростью робот теряет равновесие

  • Разработаны алгоритмы получения и обработки информации с датчиков робота
  • Разработаны алгоритмы расчета управляющих воздействий и управления исполнительными механизмами робота
  • Получена соответствующая роботу AR-601M кинематическая модель двуногого шагающего робота (ДШР) с 41 степенью свободы в средах Matlab/Simulink и ROS/Gazebo

rob8.jpg rob9.jpg

Модель ДШР с 41 степенью свободы в средах Matlab/Simulink (слева) и ROS/Gazebo (справа)

Результаты моделирования робота AR-601M в SimMechanics

  • Разработана система захвата движении на основе сенсоров Kinect
  • Получены, обработаны и проанализированы экспериментальные данные ходьбы человека (в эксперименте приняли участие 15 человек)
  • Сформирована патентная заявка "Устройство определения положения точки нулевого момента при ходьбе без сгибания стопы"

rob10.png  rob11.png

Эксперименты по захвату движений походки человека: разработанная система (слева) и процесс проведения эксперимента (справа)

  • Проведена отработка алгоритмов походки на основе базовых компонентов движения и на основе аналитических подходов, основанных на расчете точки нулевого момента (ТНМ) в среде Matlab/Simulink
  • Проверена и проанализирована работа алгоритмов расчета управляющих воздействий (алгоритмы движения по заранее рассчитанной траектории, алгоритмы с использованием контроллера с обратной связью) в симуляторах Matlab/Simulink и ROS/Gazebo
  • Проведен расчет моментов сил в суставах робота
  • Разработана система управления ходьбой для модели ДШР с 41 степенью свободы
  • Начата программная реализация разработанных алгоритмов для управления движением робота AR-601M посредством робототехнической операционной системы (ROS)
  • Принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ

rob12.jpg

Презентация результатов проекта по соглашению 14.609.21.0004 профессором Евгением Магидом на симпозиуме Yamabico, Япония, 2015

rob13.jpg

Презентация результатов проекта по соглашению 14.609.21.0004 профессором Евгением Магидом на Третьей международной конференции Skolkovo Robotics, Россия, 2015

rob14.jpg

Презентация статьи “Toward a human-like locomotion: modelling dynamically stable locomotion of an anthropomorphic robot in Simulink environment» профессором Евгением Магидом на международной конференции ICINCO, Франция, 2015

rob15.jpg

Презентация статьи «ROS-based SLAM for a Gazebo-simulated mobile robot in image-based 3D model of indoor environment» доцентом Ильей Афанасьевым на постерной сессии международной конференции ACIVS, Италия, 2015

rob16.jpg

Презентация статьи «Toward a human-like biped robot gait: Biomechanical analysis of human locomotion recorded by Kinect-based motion capture system» на международной конференции ISMA 2015, Шарджа, ОАЭ

На первом и втором этапе реализации проекта Индустриальным партнером:

  • Разработан и сконструирован экспериментальный образец полноразмерной робототехнической платформы (ЭО ПРП) AR-603Е для проведения экспериментальных исследований по ПНИ
  • Проведены изготовление, отладка и тестирование ЭО ПРП AR-603Е
  • Начата разработка полигона для проведения экспериментальных исследований экспериментального образца (ЭО) программного комплекса системы управления совместно с ЭО робототехнической платформы

В центре внимания

Сайт находится в технической разработке