Другие журналы
Сетевое издание Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл. № ФС 77-61859. ISSN 2412-592X

Пример синтеза управляющих воздействий для шестиногого шагающего робота при передвижении по неровной поверхности

Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация # 03, июнь 2015
DOI: 10.7463/aplts.0315.0782457
Файл статьи: Aplts_Jun2015_070to088.pdf (1116.62Кб)
автор: Каргинов Л. А.1

УДК 621.865.8

1 Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Получение управляющих воздействий основано на решении обратной задачи кинематики. В настоящее время существует множество методов решения этой задачи.
В данной статье рассматривается пример применения подхода к решению обратной задачи кинематики, предложенный автором.
Основная идея подхода состоит в следующем:
    1. Из всех сочленений робота выбирается ограниченный набор сочленений, необходимых для реализации избранной походки. Для этих сочленений назначается строгая последовательность движения в течение каждого шага и ограничения изменений обобщенных координат.
    2. Сочленения, не участвующие в реализации избранной походки, блокируются, для них расчеты не проводятся.
Таким образом, источниками исходных данных для решения обратной задачи кинематики являются кинематическая схема исполнительного механизма шагающего робота и избранная походка.
Для применения предлагаемого подхода необходимо:
    1. Пронумеровать ноги и сочленения в ногах.
    2. Выбрать сочленения, которые будут задействованы в реализации избранной походки.
    3. Назначить последовательность смены опорных ног при движении избранной походкой.
    4. Назначить последовательность движения выбранных сочленений в течение шага для каждой ноги.
    5. Назначить ограничения изменений обобщенных координат в выбранных сочленениях.
Процесс решения обратной задачи кинематики заключается в постепенном приближении к решению путем изменения (увеличения или уменьшения) обобщенных координат в том же порядке, в котором соответствующие этим координатам сочленения ноги перемещаются в течение шага при движении избранной походкой. Критерием завершения вычислений является достижение пределов или факт постановки ноги на опорную поверхность, фиксируемый контактным датчиком (или условием в программе моделирования).
Изменения обобщенных координат происходят в цикле, каждая обобщенная координата изменяется на определенную величину на каждой итерации цикла. Полное время цикла соответствует предполагаемому времени совершения шага.
Достоинствами подхода являются: однозначность получаемого решения, возможность рассмотрения вырожденных конфигураций исполнительного механизма шагающего робота, возможность вычислений в условиях кинематической избыточности, высокая скорость вычислений.
Возможность рассмотрения вырожденных конфигураций связана с тем, что при вычислениях не используется аппарат матричных преобразований (в частности, вычисление обратной матрицы Якоби).
Возможность вычисления в условиях кинематической избыточности, однозначность получаемого решения и высокое быстродействие обусловлены тем, что последовательность движения сочленений изначально устанавливает определенную желаемую конфигурацию ноги в пространстве и, по сути, задает направление решения.
Проверка получаемого решения не требуется, так как кинематические ограничения уже учтены в процессе вычислений.
Еще одним важным преимуществом подхода является тот факт, что роботы могут иметь произвольные количества ног, а также сочленений в ногах.
Недостатком подхода можно назвать отсутствие возможности построения универсальных алгоритмов для шагающих роботов с принципиально разными кинематическими схемами (например, антропоморфными и паукообразными) ввиду конструктивных отличий исполнительных механизмов. Но этим же недостатком обладают и другие эвристические методы, такие как FABRIK, FTL или CCD. С этими методами данный подход роднит тот факт, что не существует определенной формулы, использование которой позволяет сразу получить решение. Есть лишь алгоритмы поиска, проверяющие при вычислениях набор заданных условий, являющихся критериями коррекции или завершения решения.

Список литературы
  1. Каргинов Л.А. Синтез управляющих воздействий для приводов исполнительных механизмов шагающих роботов без решения обратной задачи кинематики // Инженерный журнал: Наука и инновации. 2013. № 4. Режим доступа:http://engjournal.ru/catalog/machin/hydro/692.html (дата обращения 06.10.2014).
  2. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. М.: Наука, 1984. 312 с.
  3. Лапшин В.В. Механика и управление движением шагающих машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 200 с.
  4. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. M .: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 480 с.
  5. Aristidou A., Lasenby J. Inverse Kinematics: a review of existing techniques and introduction of a new fast iterative solver: Technical Report CUED/F-INFENG/TR-632. Cambridge University , 2009. 74 p.
  6. Welman C. Inverse kinematics and geometric constraints for articulated figure manipulation: Master Dissertation. Simon Fraser University, Department of Computer Science , Burnaby, Canada, 1993. 84 p.
  7. Pechev A.N. Inverse kinematics without matrix inversion // Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation , Pasadena, CA, USA. IEEE Publ., 2008. P. 2005-2012. DOI: 10.1109/ROBOT.2008.4543501
  8. Zhao J., Badler N.I. Inverse kinematics positioning using nonlinear programming for highly articulated figures // ACM Transactions on Graphics. 1994. Vol. 13, no. 4. P. 313-336. DOI: 10.1145/195826.195827
  9. Castellet A., Thomas F. Using interval methods for solving inverse kinematic problems // Proc. of the NATO Advanced Study Institute on Computational Methods in Mechanisms. Vol. 2. Varna, Bulgaria, 1997. P. 135-144.
  10. Courty N., Arnaud E. Inverse Kinematics Using Sequential Monte Carlo Methods // Articulated Motion and Deformable Objects: Proceedings of the 5th International Conference (AMDO’08) , Mallorca, Spain. Springer Berlin Heidelberg , 2008. P. 1-10. (Ser. Lecture Notes in Computer Science; vol. 5098). DOI: 10.1007/978-3-540-70517-8_1
  11. Grochow K., Martin S.L., Hertzmann A., Popovic Z. Style-based inverse kinematics // ACM Transactions on Graphics. 2004. Vol. 23, no. 3. P. 522-531. DOI: 10.1145/1015706.1015755
  12. Sumner R.W., Zwicker M., Gotsman C., Popovic J. Mesh-based inverse kinematics // ACM Transactions of Graphics. 2005. Vol. 24, no. 3. P. 488-495. DOI:10.1145/1015706.1015755
  13. Unzueta L., Peinado M., Boulic R., Suescun Á. Full-body performance animation with sequential inverse kinematics // Graphical Models. 2008. Vol. 70, no. 5. P. 87-104. DOI: 10.1016/j.gmod.2008.03.002
  14. Wang L.-C.T., Chen C.C. A combined optimization method for solving the inverse kinematics problems of mechanical manipulators // IEEE Transactions on Robotics and Automation. 1991. Vol. 7, no. 4. P. 489-499. DOI: 10.1109/70.86079
  15. Müller-Cajar R. Mukundan R. Triangulation: A new algorithm for inverse kinematics // Proceedings of the 22nd International Image and Vision Computing New Zealand Conference (IVCNZ), Hamilton, New Zealand, December 2007. P. 181-186.
  16. Brown J., Latombe J.-C., Montgomery K. Real-Time Knot Tying Simulation // The Visual Computer. 2004. Vol. 20, no. 2-3. P. 165-179. DOI: 10.1007/s00371-003-0226-y
  17. Aristidou A., Lasenby J. FABRIK: a fast, iterative solver for the inverse kinematics problem // Graphical Models. 2011. Vol. 73, no. 5. P. 243-260. DOI: 10.1016/j.gmod.2011.05.003
  18. Kumar V., Gardner J.F. Kinematics of Redundantly Actuated Closed Chains // IEEE Transactions on Robotics and Automation. 1 990. Vol . 6, no . 2. P . 269- 274. DOI: 10.1109/70.54745
  19. Ковальчук А.К., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов. M .: Рудомино, 2010. 170 с.
  20. Ковальчук А.К., Каргинов Л.А. Кулаков Д.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В., Верейкин А.А. Моделирование древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов с учетом внешних наложенных связей: с видетельство о регистрации программ для ЭВМ № 2014612547 РФ. 2014.

Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2017 «Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация» Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)