Значение роботов в современном мире

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

 

 

Пояснительная записка

к дипломному проектированию

на тему:

« Исследование адаптивных алгоритмов передвижения шестиногого шагающего робота »

Студент группы С-92                                       Луцкий Василий Андреевич

Руководитель дипломного проектирования                           И.П. Карпова

Допущен к защите «___»                                2013 г.

Консультанты:

Специальная часть                                                                      В.Э. Карпов

Конструкторско-технологическая часть                                   В.Э. Карпов

Рецензент                                                                  С.А. Зинченко

 

Заведующий кафедрой ВСиС                                                А.В. Вишнеков

 

Москва 2013

 

Оглавление

1.Общая характеристика работы.. 6

1.1 Актуальность работы.. 6

1.2 Цель работы и задачи. 7

2.Шагающие роботы.. 8

2.1 Значение роботов в современном мире. 8

2.2 Анализ и сравнение видов передвигающихся роботов. 9

2.2.1 Колесные и гусеничные роботы.. 9

2.2.2 Шагающие роботы.. 10

2.2.3 Итоги сравнения. 11

2.3 Понятие шагающего робота и адаптивности. 12

2.4 История шагающих роботов. 13

2.5 Виды шагающих роботов. 19

2.6 Конструктивные решения шестиногих роботов. 20

2.6.1 Типы конструкции корпуса. 20

2.6.2 Типы конструкции конечностей. 23

2.7 Алгоритмы походок шестиногих роботов. 26

2.6.1 Типы алгоритмов походок. 27

2.6.2 Описание конкретных алгоритмов. 28

2.8 Анализ рынка шестиногих роботов. 31

2.8.1 Kondo KMR-M6. 31

2.8.2 DFRobot Hexapod Robot Kit. 31

2.8.3 Lynxmotion T-HEX.. 32

2.8.4 Сравнение характеристик представленных роботов. 34

2.9 Выводы.. 35

3.Робот Hexapod МР4-2012. 36

3.1 Общее описание робота. 36

3.2 Компоненты робота. 37

3.2.1 Контроллер. 38

3.2.2 Сервоприводы.. 39

3.2.3 Датчики. 40

3.3 Схема подключения сенсоров и сервоприводов к контроллерам: 44

3.4 Конструкция корпуса робота. 46

3.5 Конструкция конечности. 48

3.6 Выводы.. 48

4.Алгоритмы передвижения робота. 50

4.1 Выбор базового алгоритма походки. 50

4.2 Алгоритм «3+3 инсектоподобный». 52

4.3 Основные принципы адаптивного передвижения. 53

4.3.1 Принцип стабилизации. 53

4.3.2 Принцип останова. 55

4.3.3 Принцип нащупывания поверхности. 56

4.4 Алгоритмы передвижения робота. 58

4.4.1 Неадаптивное движение. 58

4.4.2 Неадаптивное движение со стабилизацией. 59

4.4.3 Адаптивное движение. 60

4.4.4 Адаптивное движение со стабилизацией положения по акселерометру 62

4.5 Выводы.. 62

5.Программный комплекс управления шестиногим роботом. 63

5.1 Состав программно-аппаратного комплекса. 63

5.2 Архитектура программного комплекса. 63

5.3 Управляющая программа микроконтроллера. 65

5.4 Программа управления движением роботом на «Hexapod Control». 66

5.4.1 Ручной и автоматический режимы выбора направления движения 66

5.4.2 Файлы, необходимые для работы программы: 69

5.4.3 Библиотеки, используемые при написании программы.. 70

5.4.4 Описание визуальной версии (Hexapod_Visual) 71

5.4.5 Описание консольной версии программы.. 72

5.5 Дополнительные программы.. 74

5.5.1 Программа проверки соединения по COM-порту Signal.exe. 74

5.5.2 Программа-монитор для калибровки сервоприводов Hexapod_ctl 75

5.6 Вывод. 76

6.Эксперименты.. 77

6.1 Полигон для проведения экспериментов. 77

6.2 Серия экспериментов 1 - неадаптивное движение без коррекции. 78

6.3Серия экспериментов 2 - движение с коррекцией по акселерометру. 78

6.4 Серия экспериментов 3 - адаптивное движение без коррекции. 78

6.5 Серия экспериментов 4 - адаптивное движение без коррекции. 78

6.6 Выводы.. 79

7.Интеллектуальный анализ данных. 80

7.1 Общие положения. 80

7.2 Классификация поверхностей. 83

7.3 Нейронные сети LVQ.. 84

7.4 Решение поставленной задачи классификации с помощью нейронной сети LVQ.. 87

7.5 Эксперименты с нейронной сетью.. 90

7.6 Выводы.. 91

8.Экономическая часть. Расчет сметной стоимости разработки. 92

8.1 Наклалдные расходы.. 92

8.2 Заработная плата. 94

8.3 Стоимость без учета налогов, прибыль , рентабельность. 95

8.4 Расчет налогов. 95

8.5 Общая сметная стоимость программно-аппаратного комплекса с учетом налогов. 97

9.Охрана труда. Оптимальная освещенность при работе на ПЭВМ.. 98

10.Заключение. 102

Список литературы.. 104

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 107

Приложение А. Принципиальная схема контроллера. 107

Приложение Б. Пример фрагмента mdf файла. 108

Приложение В. Листинг консольной версии программы.. 110

Приложение Г. Листинг библиотеки адаптивного опускания ног Movemets.cpp. 118

Приложение Д. Структура регистров и команд микроконтроллера. 125

Приложение Е. Краткое руководство пользователя визуальной версии программы.. 128

 

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время шагающие машины являются популярным объектом исследования во всем мире. Огромное число научно-исследовательских коллективов в России и за рубежом уделяют огромное внимание шагающим машинам. Такая высокая популярность обусловлена тем, что шагающие машины обладают рядом преимуществ по сравнению с колесными и гусеничными машинами. В частности, шагающие машины лучше приспособлены к передвижению по поверхности со сложным рельефом и слабыми грунтами. Способность преодолевать сложные формы рельефа требует того, чтобы шагающая машина была адаптивной, т.е. могла приспосабливаться к изменяющейся форме рельефа. Однако большинство шагающих роботов, представленных сегодня на рынке, являются неадаптивными.

Реализация адаптивных алгоритмов передвижения подразумевает наличие у робота развитой сенсорики. Как правило, для реализации адаптивного передвижения необходимо, чтобы на роботе были установлены датчики-дальномеры для ориентации в пространстве, датчик-гироскоп для выравнивания в горизонтальной плоскости и датчики касания на ногах и на корпусе робота. Наличие этих сенсоров позволяет рассматривать робота как основу для сбора информации с последующим решением задачи интеллектуального анализа данных. Интеллектуальный анализ данных позволяет роботу адаптировать свои дальнейшие движения и решать ряд прикладных задач, таких как составление карты рельефа поверхности, по которой осуществляется передвижение.

Система управления  такого робота довольно сложна. Она должна быть построена таким образом, чтобы реализовывать координированное движение всех ног, обеспечивающее заданное движение корпуса. Для реализации адаптивного алгоритма передвижения система должна, основываясь на показаниях сенсоров, определить положение робота относительно поверхности, по которой осуществляется передвижение и на основании этого устанавливать наиболее устойчивое положение робота.

Цель работы и задачи

 

Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для проведения исследований в области адаптивных шагающих робототехнических устройств.

 

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота;

2. Разработка алгоритмов управления, обеспечивающих обратимое дистанционное управление системой приводов с учетом динамики исполнительного и задающего механизмов, приводов и управляющих свойств человека, а также реализующие супервизорное и автоматическое управление;

3. Разработка неадаптивных и адаптивных алгоритмов передвижения робота;

4. Разработка системы управления высокого уровня, реализующей адаптивные и неадаптивные алгоритмы передвижения робота с возможностью автономного и супервизорного управления;

5. Проведение экспериментов для выявления преимуществ и недостатков адаптивных и неадаптивных алгоритмов передвижения;

6. Исследование возможностей интеллектуального анализа данных, получаемых с сенсоров робота при адаптивном передвижении, для возможности коррекции дальнейшего передвижения;

Шагающие роботы

Значение роботов в современном мире

 

В наше время стремительного технического прогресса человечество все быстрее и быстрее переходит к полной автоматизации производства. Все большее и большее значение на производстве приобретают роботы. Сегодня практически невозможно представить какое-либо крупное производство без роботов, выполняющих определенные технологические операции. Но роботы существуют не только на фабриках и заводах – сегодня робота можно встретить и на улицах, и даже в домашнем быту.

Роботы – это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение.        Робот (чеш. robot, от robota — подневольный труд, rob — раб), машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром [Корбинский, 1971].

С момента своего появления полвека назад роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. В ближайшие десятилетия всё более совершенные роботы станут незаменимыми помощниками людей и смогут взять на себя обеспечение большей части потребностей цивилизации.

Существует огромное число разнообразных роботов, соответственно существует и огромное число вариантов классификации роботов: по размеру и форме, по функциональному назначению, по типу программной логики и т.д. Среди всех типов классификации одним из наиболее важных является классификация по возможности передвижения, согласно которой всех роботов можно разделить на непередвигающихся и передвигающихся. В данном проекте рассматриваются передвигающиеся роботы и их подвид - шагающие роботы.