Разработка и исследование исполнительного механизма с электрогидравлическими приводами для системы управления движением двуногого шагающего робота

С каждым годом в мире возникает все больше ситуаций, требующих от людей выполнения самых разнообразных работ в тяжелых, опасных, а подчас и несовместимых с жизнью условиях. В ответ появляются все новые средства экстремальной робототехники. Как правило, для выполнения задач на суше это самоходное колесное или гусеничное шасси с установленными на нем манипулятором, средствами наблюдения или другим оборудованием. Управление осуществляется дистанционно по радио или кабелю, а питание от аккумуляторов или также по кабелю. Эти роботы создаются уже не один десяток лет. Сложившимися за это время коллективами накоплен большой опыт по их разработке и применению, в ряде случаев весьма эффективному. Однако нельзя отрицать, что такая техника имеет (как и любая другая) ограниченные возможности и, соответственно, сферы применения. Поэтому как и прежде люди, рискуя здоровьем и жизнью, работают в завалах, на пожарах, в условиях химического, биологического и радиоактивного заражения, борются с преступниками и террористами. Причем, чаще всего все это происходит не в поле, а в зданиях и различных сооружениях, в помещениях и в кабинах различной техники, т. е. в условиях, изначально созданных для человека, с учетом его двурукости, двуного-сти, типичных размеров, массы и, если можно так сказать, кинематики тела. По этой причине развиваются и другие направления экстремальной робототехники. Наиболее целесообразным представляется использование робототехниче-ского комплекса, включающего в себя антропоморфный двуногий шагающий робот (ДШР) (или группу ДШР) и мобильный пост управления. ДТТТР должен быть снабжен автономным источником энергии, средствами связи с постом управления, а также системой управления, позволяющей выполнять некоторые действия в супервизорном или автоматическом режиме (например самостоятельный выход с места работ при отсутствии связи).

В средствах массовой информации появляется все больше сообщений из самых разных частей света о создании очередного двуногого шагающего робота. Многие ведущие фирмы мира, практически каждый уважающий себя технический университет, считают делом чести создать собственный антропоморфный робот. При этом каждый разработчик по-своему понимает роль и место таких роботов в будущем мире. Это говорит, скорее всего, о возможности самого разнообразного их использования. По мнению некоторых специалистов, антропоморфные роботы в ближайшем будущем станут незаменимыми помощниками в быту, освоении подводного и космического пространства, а так же в военном деле.

Стратегической задачей при создании подобных робототехнических интеллектуальных систем провозглашается [1]:

1. способность робота оперировать в среде, созданной для человека;

2. быть максимально похожими в движениях на человека;

3. пользоваться приборами и инструментами, разработанными для использования человеком;

4. быстро адаптироваться к изменяющимся внешним условиям;

5. не наносить вреда человеку, окружающей домашней обстановке, домашним животным;

6. быть автономным.

Управление антропоморфными роботами строится по иерархической структуре:

— коллективное управление,.

— индивидуальное управление,.

— примитивные физические индивидуальные действия.

При этом под коллективным управлением понимается управление группой роботов, как командой, самостоятельно решающей единую задачу. Наиболее близкими к поставленным задачам создания индивидуальных, автономных антропоморфных шагающих роботов, работающих в единой команде, являются проблемы создания робота, играющего в футбол [2]. Международные футбольные турниры ROBOCUP между командами роботов показывают, что в этом направлении уже достигнут большой прогресс. Главной озвученной целью развития роботов-футболистов, является создание команды роботов, способной обыграть команду футболистов-людей, в обычном футбольном матче. По прогнозам учёных это произойдёт к 2050 году (по некоторым оценкам даже раньше).

Япония проявляет наибольшую активность в области создания антропоморфных шагающих роботов и достигла в этом деле больших успехов [3]. Такие работы ведутся в Токийском университете, университете Васеда совместно с фирмой «Hitachi», в Оксакском университете, университете г. Шиба, Биомедицинском инженерном институте, Токийском технологическом институте и в других организациях. В начале 80-х созданы роботы WL-9RD, WL-9RDmkl 1. Наконец, всем известный робот «Asimo» фирмы Honda кроме полноценной динамической ходьбы, т. е. движения с учётом инерционных свойств исполнительного механизма ДШР, демонстрирует массу других функций (техническое зрение, синтез и распознавание речи, ориентирование в пространстве), делающих его не просто универсальной шагающей машиной, а настоящим роботом.

Большой интерес представляет работа специалистов Мюнхенского технического университета — антропоморфный шагающий робот «Johnnie» [4]. Кинематика и габариты этого робота подобны человеческим. Он имеет 17 управляемых степеней подвижности, оснащенных электрическими сервоприводами. На стопах установлены шестикомпонентные силомоментные датчики, имеется бесплатформенная система ориентации робота и система технического зрения. Робот способен двигаться в режиме динамической ходьбы по ровной горизонтальной и наклонной поверхностям, а также по ступеням. Система технического зрения позволяет обнаруживать и преодолевать препятствия (обходить и перешагивать). Управление приводами осуществляется в режиме отработки заданных моментов, определяемых по результатам математического моделирования требуемого движения (при медленной ходьбе), или в режиме отработки заданных обобщённых координат (при быстрой ходьбе).

Подобные работы ведутся в Берлинском техническом университете, в университетах в Нью-Гемпшире, Мичигане, Масачусетсе, а также в Сербии, Австралии и других странах [3].

В СССР, а затем в России с начала 70-х годов теоретически и методами математического моделирования выполнен большой объем работ по исследованию динамических режимов движения шагающих роботов. Среди работ по данной тематике, проводимых в нашей стране, можно выделить работы Белецкого В. В., Охоцимского Д. Е., Формальского A.M. и их коллег. В Институте прикладной математики (ИПМ) АН РФ и Институте механики МГУ им. М. В. Ломоносова выполнены работы по исследованию и оптимизации энергетики движения и по разработке алгоритмов управления движением двуногих и четы-рехногих машин, перемещающихся в различных динамических режимах движения: ходьба, бег, прыжки. Вопросы устойчивости движения шагающих машин в квазидинамических режимах, когда имеются непродолжительные статически неустойчивые фазы, исследовались в Институте машиноведения РАН.

В ИПМ АН Украины разработаны алгоритмы управления для динамических режимов шагания и бега двуногих и четырехногих машин с использованием методов аналитического конструирования регуляторов. Для управления используются уравнения движения, линеаризованные в окрестности заданного программного режима.

Большая часть этих работ прекратилась в начале 90-х. Научные коллективы распались. Кроме того, при большом теоретическом заделе в РФ проводилось очень мало экспериментальных исследований динамических режимов движения двуногих шагающих роботов. Редкие представители подобного рода работ — два лабораторных макета электромеханических двуногих шагающих роботов, созданные в 80-е годы в Институте механики МГУ совместно с Институтом прикладной математики РАН и Институтом проблем передачи информации РАН. Оба макета предназначены для отработки системы управления в режиме динамической ходьбы. Они способны двигаться лишь по прямой, совершая плоское движение в сагиттальной плоскости, не имеют управляемых стоп. Первый макет имеет телескопические ноги и всего две независимые степени подвижности. Конструктивно наложены две механические связи: суммарная длина ног сохраняется постоянной, а корпус лежит на продолжении биссектрисы угла, образованного ногами. Аппарат приводится в движение двумя электродвигателями, один из которых изменяет разность длин ног, а второй — изменяет угол между ногами. Второй макет имеет антропоморфную кинематическую схему с двумя двигателями на каждой ноге. Высота обоих макетов составляет 0,6 м, масса первого макета — 4 кг, а второго — около 6 кг.

Известны также созданные на С-Петербургском предприятии «Новая эра» антропоморфные шагающие роботы «Агпео», однако, к сожалению, активного продолжения эта работа не получила.

Таким образом, в настоящее время наблюдается значительное отставание России в области создания двуногих шагающих роботов. До настоящего времени не было ни одного документального подтверждения двуногой шагающей машины, разработанной в России, способной двигаться в режиме динамической ходьбы.

Проведённый обзор работ, посвящённых созданию шагающих механизмов и двуногих шагающих роботов, позволяет среди многих научных и технических проблем выделить следующие:

1. переменная структура исполнительного механизма ДШР, изменяющаяся в процессе движения, при этом образуются как разомкнутые так и замкнутые кинематические цепи, методы анализа и синтеза которых в настоящее время развиты недостаточно;

2. ветвящиеся кинематические структуры исполнительных механизмов шагающих машин, методы описания, моделирования и управления которыми требуют дальнейшего развития;

3. не закреплённость исполнительного механизма ДШР на неподвижном основании (исполнительный механизм взаимодействует с опорной поверхностью только через упругие элементы стоп во время их контактирования);

4. влияние динамических свойств приводов ДТПР на его движение по требуемым траекториям.

При проектировании ДТТТР большое значение имеет выбор исполнительных приводов. На ДТТТР с электроприводами могут использоваться [32]: линейный электропривод, электропривод с планетарным редуктором, электропривод с волновым редуктором. В силу своих массогабаритных характеристик линейные приводы не позволяют реализовывать необходимые диапазоны изменений всех обобщённых координат. Электроприводы с планетарными редукторами имеют большие люфты и, как следствие, возникают удары и сложности с обеспечением требуемых запасов устойчивости системы приводов. Электроприводы с волновыми редукторами подшипникового типа имеют значительный вес и малую удельную энергоёмкость (50 Нм, 800 г.). Электроприводы с волновыми зубчатыми редукторами имеют более хорошие характеристики (150 Нм при весе 240 г).

Как показал проведённый анализ, для создания ДТТТР с массогабаритными параметрами человека и с учётом массы переносимого груза наиболее приемлемым является применение гидропривода, обладающего большей энергоёмкостью и возможностью работать в области малых изменений обобщённых координат, характерных для ходьбы ДТТТР. Кроме того, что электроприводы с редукторами обладают худшими динамическими характеристиками, по сравнению с гидроприводами, они, из-за применения редукторов, имеют очень большую жёсткость. Это, в свою очередь, приводит к поломкам при ударных перегрузках со стороны окружающей среды. Если же для защиты приводов используются различные механические приспособления, то это дополнительно увеличивает вес привода. Гидроприводы позволяют развивать необходимые усилия без применения редукторов.

В результате можно констатировать целесообразность проведения исследований движения ДТТТР, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами (ЭГСП), как наиболее перспективного антропоморфного робота с точки зрения удельной энергоёмкости. Разработка и исследование исполнительного механизма с электрогидравлическими следящими приводами для системы управления движением двуногого шагающего робота актуальна и является важной научно-технической задачей.

Целью работы является создание исполнительного механизма двуногого шагающего робота, оснащённого электрогидравлическими следящими приводами.

В связи с этим встают следующие научные задачи:

1. Формирование математической модели исполнительного механизма ДШР.

2. Определение структуры и параметров ЭГСП исполнительного механизма ДШР.

3. Определение законов управления исполнительным механизмом ДШР с ЭГСП, обеспечивающего реализуемую траекторию с минимальными моментами на стопах.

4. Разработка структуры и алгоритмов системы стабилизации движения ДШР с ЭГСП, обеспечивающей его движение по горизонтальной плоскости.

5. Разработка программного комплекса и исследование движения ДШР, оснащённого ЭГСП.

При решении вышеуказанных задач в работе используются методы: теоретической механики, теории графов, теории матриц, математического моделирования электрогидравлических приводов, теории автоматического управления, экспериментального исследования объектов управления, оснащённых ЭГСП.

Для проведения научно-исследовательских работ, направленных на изучение динамики ДШР, в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана на кафедре «Гидромеханики, гидромашин и гидропневмоавтоматики» (Э10), совместно с Межотраслевым институтом повышения квалификации (при участии автора), был создан лабораторный исследовательский стенд ДШР [5,6]. В качестве исполнительных приводов, на лабораторном стенде ДШР применили ЭГСП. Это было обусловлено их преимуществами по сравнению с другими типами приводов по удельной мощности и динамическим характеристикам, что является особенно важным при создании ДШР больших размеров и масс. Внешний вид робота показан на рис. В.1.

Рис. В.1. Лабораторный ДШР (вид спереди).

ДШР состоит из корпуса и двух ног. В корпусе ДШР (рис. В.2) размещены насосная станция, аппаратура системы управления, аппаратура системы ориентации. В стопы ног встроены силомоментные датчики. Снизу на стопах, для увеличения податливости, закреплены резиновые накладки. Исполнительный механизм имеет 12 степеней подвижности, оснащённых ЭГСП. Высота исполнительного механизма ДШР составляет 2.2 м., вес — 220 кг. Энергопитание осуществляется по кабелю от внешнего источника трёхфазного напряжения (200 В. 400 Гц.). Программное обеспечение системы управления выполняется на трёх совместно работающих ЭВМ, объединённых в локальную сеть Ethernet.

Рис. В.2. Корпус исполнительного механизма ДШР (вид спереди и сзади).

В качестве исполнительных гидродвигателей используются гидроцилиндры с непроходными штоками (рис. В. З). Потоками жидкости в полости гидроцилиндров 2 управляют эле ктро гидравлические усилители типа сопло-заслонка-золотник 1. В качестве датчиков угла поворота во все шарниры исполнительного механизма установлены синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы 3, работающие в режиме фазовращателей. Гидравлическая схема ДШР показана на рис. В.4.

Рис. В. З. Внешний вид ЭГСП.

Датчики системы ориентации: три маятниковых акселерометра и три гироскопических датчика угловой скорости выполнены в виде отдельного съемного блока (рис. В. З) и установлены на корпусе робота на виброизолированной платформе.

Рис. В.5. Блок датчиков системы ориентации.

Сверху на корпусе, на виброизоляторах, установлена аппаратура системы управления роботом (рис В.6). Она собрана в единый блок, в котором находятся бортовой компьютер Pentium Ш, аппаратура сопряжения и вторичные источники питания. Аппаратура сопряжения состоит из плат цифро-аналоговых преобразователей (16 каналов), аналого-цифровых преобразователей (64 канала), параллельных портов и платы ввода информации с синусно-косинусных вращающихся трансформаторов. В состав дополнительной аппаратуры сопряжения входят усилитель питания синусно-косинусных вращающихся трансформаторов, блок фильтров аналого-цифровых преобразователей, блок обслуживания датчиков системы ориентации, блок усилителей тока, сопрягающих цифро-аналоговые преобразователи с электрогидравлическими усилителями, блок питания.

В результате был создан лабораторный экспериментальный стенд позволяющий проводить экспериментальные исследования ходьбы ДШР. Параметры исполнительного механизма ДШР с ЭГСП приведены в табл. 1.

Рис. В.6. Аппаратура системы управления.

Таблица 1.

Некоторые параметры лабораторного стенда ДШР высота робота 2.2 м масса 220 кг.

Энергопитание по кабелю от внешнего источника трёхфазного напряжения 200 В. 400 Гц.

Максимальная потребляемая мощность 8 кВт.

Давление питания в гидросистеме 200 атм.

Максимальные моменты, развиваемые приводами 934 Нм.

Максимальные скорости в степенях подвижности 1.8 рад/с.

Аппаратура сопряжения 16 ЦАП (16 разрядов), 64 АЦП (16 разрядов),.

Частота замыкания контуров гидроприводов 1000 Гц.

Частота обмена данными по сети 100 Гц.

Количество совместно работающих программных модулей системы управления 22.

Количество совместно работающих ЭВМ 3.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В первой главе изложен, предложенный автором, подход к описанию древовидных кинематических структур роботов с использованием теории графов. Приведено, выведенное автором, универсальное блочно-матричное уравнение динамики роботов с древовидными кинематическими структурами. Разработана математическая модель исполнительного механизма ДШР с ЭГСП, замкнутыми обратными связями по положению, с учётом взаимодействия ДШР с опорной поверхностью. При этом учтены следующие особенности:

165 ВЫВОДЫ.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Разработанный исполнительный механизм с ЭГСП обеспечивает устойчивое движение ДТТТР по горизонтальной плоскости.

2. Разработанная математическая модель исполнительного механизма с ЭГСП обладает достаточной адекватностью реальному лабораторному макету, позволяющей синтезировать управление движением исполнительного механизма ДТТТР.

3. Реализованная методика синтеза управления движением исполнительного механизма с ЭГСП, при представлении изменения переменных состояния ДТТТР в виде комбинации гармонических функций, позволяет получать реализуемые траектории движения ДТТТР.

4. При управлении движением ДТТТР необходимо управлять дополнительным изменением пространственной конфигурации ДТТТР, для компенсации инерционного воздействия неучтенных в упрощённой модели динамических эффектов (в качестве дополнительного изменения пространственной конфигурации ДТТТР может быть использован закон изменения наклона корпуса в процессе ходьбы ДТТТР).

5. Разработанное программное обеспечение системы управления позволяет создавать программные комплексы для управления многозвенными исполнительными механизмами роботов, оснащёнными ЭГСП, в реальном времени.

6. Разработанный лабораторный макет ДТТТР целесообразно использовать для решения задач создания перспективных двуногих шагающих роботов с ЭГСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены результаты разработки и исследования исполнительного механизма ДШР, оснащённого электрогидравлическими приводами, замкнутыми обратными связями по положениям.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Уравнение движения исполнительных механизмов роботов, имеющих древовидные кинематические структуры с голономными связями в сочленениях.

2. Математическая модель исполнительного механизма ДШР, учитывающая особенности, обусловленные существенными нелинейностями исполнительного механизма с ЭГСП.

3. Представление траектории движения исполнительного механизма ДШР в виде комбинации гармонических функций, описывающих изменения переменных состояния в декартовом пространстве, что позволяет производить синтез управления движением с использованием разработанной математической модели исполнительного механизма с ЭГСП.

4. Структура и алгоритмы системы стабилизации, которая обеспечивает требуемые изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР с ЭГСП, путём управления моментами на стопах.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Полученное уравнение движения исполнительных механизмов роботов может быть использовано для составления математических моделей антропоморфных роботов, имеющих древовидные кинематические структуры.

2. Предложенное представление изменения переменных состояния исполнительного механизма ДШР в декартовом пространстве в виде комбинации гармонических функций позволяет производить синтез управления его движением.

3. Разработанная методика построения программного обеспечения системы управления исполнительным механизмом ДШР может быть использована для построения программных комплексов систем управления роботами.

4. Созданный экспериментально-моделирующий комплекс ДШР является лабораторной установкой, используемой при решении задач синтеза траектории движения исполнительного механизма с ЭГСП, рассматриваемых в учебном процессе.

Разработанные в диссертации теоретические положения, алгоритмы управления и рекомендации по проектированию систем ЭГП ДШР использованы при выполнении госбюджетных НИР: «Разработка основ проектирования двуногих шагающих манипуляционных роботов» (ГР № 1 200 606 556, Инв. № 22 006 041 116), «Исследование принципов управления и стабилизации двуногих шагающих роботов в режиме динамической ходьбы» (ГР № 1 200 703 234, Инв. № 2 200 900 140).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика» МГТУ им. Н. Э. Баумана в читаемых курсах: «Гидроприводы стационарных и мобильных объектов», «Основы мехатроники гидропневмосистем», что подтверждается актом о внедрении.

Основные положения диссертации изложены в 3 статьях (опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК), в 1 монографии, в 1 учебном пособии, в 2 отчётах по НИР, имеющих государственную регистрацию.

Результаты настоящей диссертационной работы могут служить основой для дальнейшего развития вопроса о построении исполнительных механизмов двуногих шагающих роботов, оснащённых электрогидравлическими следящими приводами.