Моделирование движения опоры шагающей машины с динамической устойчивостью при помощи стенда

Юрий Георгиевич Алейников; Отари Назирович Дидманидзе

Юрий Георгиевич Алейников ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева» https://orcid.org/0000-0001-6586-9741
Отари Назирович Дидманидзе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева» http://orcid.org/0000-0003-2558-0585

Ключевые слова: шагающая машина, датчики шагающей машины, алгоритмы управления движением, траектория движения опоры, электроника шагающей машины, микронтроллеры, датчики

Аннотация

Введение. Проблема изучения шагающих машин на протяжении многих десятилетий не теряет актуальности. Современные технологии помогают создавать новые конструкции с цифровым управлением. Программное обеспечение, позволяющее шагающей машине самостоятельно передвигаться, является сложной задачей для реализации. Для движения машины необходимо обрабатывать данные с помощью множества сенсоров. В статье продемонстрированы конструкторские решения и алгоритмы, применяемые для управления движением опытной шагающей машины.
Материалы и методы. Для моделирования движения шагающей машины и экспериментальных исследований был изготовлен стенд, повторяющий все электронные системы машины. Показаны порядок перестановки опор во время перемещения и траектория движения опоры. Рассмотрена конструкция датчиков и принцип действия. Продемонстрирован стенд для моделирования с описанием его электронных компонентов.
Результаты исследования. Были определены оптимальные параметры движения опоры. Описан циклический алгоритм движения опоры по траектории, состоящей из прямолинейных отрезков. Решена проблема синхронизации движения множества опор с применением многопоточного асинхронного программирования, адаптированного для многомерных процессоров. Смоделированы процесс опускания опоры на поверхность и реакция циклического алгоритма на изменение показаний датчиков удара и нагружения.
Обсуждение и заключение. Разработан алгоритм движения опоры с реакцией на изменение показаний датчиков. Проведенные исследования позволили получить оптимальную алгоритмическую модель, к которой легко добавлять новые реакции автоматической системы управления движением, основанные на показаниях датчиков.

Биографии авторов

Юрий Георгиевич Алейников, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева»

соискатель кафедры тракторов и автомобилей, кандидат технических наук, Researcher ID: AAS-2070-2020

Отари Назирович Дидманидзе, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева»

заведующий кафедрой тракторов и автомобилей, академик РАН, доктор технических наук, профессор

Литература

1. Optimal Force Distribution for the Legs of an Hexapod Robot / C. Mahfoudi, K. Djouani, S. Rechak, M. Bouaziz. – DOI 10.1109/CCA.2003.1223515 // Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications, 23–25 June 2003, Instambul. – Instambul : IEEE, 2003. – Pp. 657–663. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/1223515/metrics#metrics (дата обращения: 02.02.2021).

2. Hayward, V. Robot Manipulator Control under Unix RCCL: A Robot Control “C” Library / V. Hayward, R. P. Paul. – DOI 10.1177/027836498600500407 // The International Journal of Robotics Research. – 1986. – Vol. 5, Issue 4. – Pp. 94–111. – URL: https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/027836498600500407 (дата обращения: 02.02.2021).

3. Paul, R. P. Kinematics of Robot Wrists / R. P. Paul, C. N. Stevenson. – DOI 10.1177/027836498300200103 // The International Journal of Robotics Research. – 1983. – Vol. 2, Issue 1. – Pp. 31–38. – URL: https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/027836498300200103 (дата обращения: 02.02.2021).

4. Pfeiffer, F. Six-Legged Technical Walking Considering Biological Principles / F. Pfeiffer, J. Eltze, H.-J. Weidemann. – DOI 10.1016/0921-8890(94)00031-V // Robotics and Autonomous Systems. – 1995. – Vol. 14, Issue 1–2. – Pp. 223–232. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/092188909400031V?via%3Dihub (дата обращения: 02.02.2021).

5. Roennau, A. Design and Kinematics of a Biologically-Inspired Leg for a Six-Legged Walking Machine / A. Roennau, T. Kerscher, R. Dillmann. – DOI 10.1109/BIOROB.2010.5626328 // Proceedings of 3rd IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 26–29 September 2010, Tokyo. – Tokyo : IEEE, 2010. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/5626328 (дата обращения: 02.02.2021).

6. Optimal Force Distribution for the Legs of a Quadruped Robot / X. Chen, K. Watanabe, K. Kiguchi, K. Izumi // Machine Intelligence & Robotic Control. – 1999. – Vol. 1, Issue 2. – Pp. 87–94. – URL: http://www.cyber-s.ne.jp/Top/Volume/1-2/0009tc.pdf (дата обращения: 02.02.2021).

7. Nahon, M. A. Optimization of Dynamic Forces in Mechanical Hands / M. A. Nahon, J. Angeles. – DOI 10.1115/1.2912765 // Journal of Mechanical Design. – 1999. – Vol. 113. Issue 2. – Pp. 167–173. – URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/mechanicaldesign/article-abstract/113/2/167/417367/Optimizationof- Dynamic-Forces-in-Mechanical-Hands?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 02.02.2021).

8. Gardner, J. F. Force Distribution in Walking Machines Over Rough Terrain / J. F. Gardner. – DOI 10.1115/1.2896488 // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. – 1991. – Vol. 113, Issue 4. – Pp. 754–758. – URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/dynamicsystems/article-abstract/113/4/754/417104/Force-Distribution-in-Walking-Machines-Over-Rough?redirectedFrom=fulltext (дата обращения: 02.02.2021).

9. Tedeschi, F. Design Issues for Hexapod Walking Robots / F. Tedeschi, G. Carbone. – DOI 10.3390/ robotics3020181 // Robotics. – 2014. – Vol. 3, Issue 2. – Pp. 181–206. – URL: https://www.mdpi.com/2218-6581/3/2/181 (дата обращения: 02.02.2021).

10. Robots in Agriculture: State of Art and Practical Experiences / J. J. Roldán, J. Cerro, D. Garzón‐ Ramos [et al.]. – DOI 10.5772/intechopen.69874 // Service Robots ; A. Neves, ed. – IntechOpen, 2018. – URL: https://www.intechopen.com/books/service-robots/robots-in-agriculture-state-of-art-and-practicalexperiences (дата обращения: 02.02.2021).

11. Kang, D. The Walking Control of a Hexapod Robot for Collecting Field Information / D. Kang, M. Iida, M. Umeda. – DOI 10.11357/jsam.71.1_63 // Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery. – 2009. – Vol. 71, Issue 1. – Pp. 163–171. – URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsam/71/1/71_1_1_63/_article/-char/ja/ (дата обращения: 02.02.2021).

12. Design and Implementation of Bio Inspired Hexapod for Exploration Applications / T. Deepa, S. Angalaeswari, D. Subbulekshmi [et al.]. – DOI 10.1016/j.matpr.2020.07.165 // Materials Today: Proceedings. – 2020. – 5 p. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785320352585?via%3Dihub (дата обращения: 02.02.2021).

13. Nemoto, T. Energy-Based Control for a Biologically Inspired Hexapod Robot with Rolling Locomotion / T. Nemoto, R. E. Mohan, M. Iwase. – DOI 10.1016/j.dcan.2015.04.001 // Digital Communications and Networks. – 2015. – Vol. 1, Issue 2. – Pp. 125–133. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352864815000139?via%3Dihub (дата обращения: 02.02.2021).

14. Carbone, G. Legged Robotic Systems / G. Carbone, M. Ceccarelli. – DOI 10.5772/4669 // Cutting Edge Robotics ; V. Kordic, ed. – IntechOpen, 2005. – 26 p. – URL: https://www.intechopen.com/books/cutting_edge_robotics/legged_robotic_systems (дата обращения: 02.02.2021).

15. BigDog, the Rough-Terrain Quadruped Robot / M. Raibert, K. Blankespoor, G. Nelson, R. Playter. – DOI 10.3182/20080706-5-KR-1001.01833 // IFAC Proceedings Volumes. – 2008. – Vol. 41, Issue 2. – Pp. 10822–10825. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667016407020?via%3Dihub (дата обращения: 02.02.2021).

16. Sparrow, R. Kicking a Robot Dog / R. Sparrow. – DOI 10.1109/HRI.2016.7451756 // Proceedings of 11th ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction (HRI), 2016. – Christchurch : IEEE, 2016. – Pp. 229. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7451756/authors#authors (дата обращения: 02.02.2021).

17. Manoiu-Olaru, S. Hexapod Robot. Mathematical Support for Modeling and Control / S. Manoiu-Olaru, M. Nitulescu, S. Viorel // Proceedings of 15th International Conference on System Theory, Control and Computing, 1–6 Oct 2011. – Sinaia : IEEE, 2011. – 6 p. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/ document/6085694/authors#authors (дата обращения: 02.02.2021).

18. Fućek, L. Analytically Founded Yaw Control Algorithm for Walking on Uneven Terrain Applied to a Hexapod Robot / L. Fućek, Z. Kovačić, S. Bogdan. – DOI 10.1177/1729881419857997 // International Journal of Advanced Robotic Systems. – 2019. – 17 p. – URL: https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1729881419857997 (дата обращения: 02.02.2021).

19. Design and Underwater Tests of Subsea Walking Hexapod MAK-1 / V. V. Chernyshev, V. V. Arykantsev, A. E. Gavrilov [et al.]. – DOI 10.1115/OMAE2016-54440 // Proceedings of ASME 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 19–24 June 2016. – Busan : ASME, 2016. – Pp. 9. – URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/OMAE/proceedings-abstract/OMAE2016/49989/V007T06A023/281002 (дата обращения: 02.02.2021).

20. Петров, Н. В. Разработка учебного шагающего мобильного робота / Н. В. Петров // Политехнический молодежный журнал. – 2019. – № 9 (38). – 13 с. – URL: http://ptsj.ru/articles/520/520.pdf (дата обращения: 02.02.2021). – Рез. англ.

21. Gait Control by Genetic Algorithm for Agricultural Hexapod Walking Robot / M. Dohi, T. Fujiura, N. Ishizuka, K. Nonami. – DOI 10.1016/S1474-6670(17)36757-5 // IFAC Proceedings Volume. – 2000. – Vol. 33, Issue 29. – Pp. 89–93. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667017367575?via%3Dihub#! (дата обращения: 02.02.2021).

22. Алейников, Ю. Г. Цифровые технологии для роботизированных технических средств в сельско-хозяйственном производстве на примере шагающей машины и робота для внесения трихограммы в теплице / Ю. Г. Алейников // Инновации в сельском хозяйстве. – 2019. – № 1 (30). – С. 283–293. – URL: http://journal.viesh.ru/wp-content/uploads/2019/04/ИННОВСХ-30-2019.pdf (дата обращения: 02.02.2021). – Рез. англ.

23. Алейников, Ю. Г. Надежное определение момента времени касания опорой поверхности шагающей машины / Ю. Г. Алейников, Я. Г. Митягина. – DOI 10.34286/1995-4646-2019-67-4-60-68 // Международный технико-экономический журнал. – 2019. – № 4. – С. 60–68. – URL: http://www.titejournal.com/content/2019/vypusk-no4/ (дата обращения: 02.02.2021). – Рез. англ.

24. Алейников, Ю. Г. Система управления движением шагающей машины / Ю. Г. Алейников, Я. Г. Митягина // Международный технико-экономический журнал. – 2018. – № 4. – С. 90–95. – URL: http://www.tite-journal.com/content/2018/vypusk-no4/#c11567 (дата обращения: 02.02.2021). – Рез. англ.

25. Чернышев, В. В. Полевые исследования шагающих машин / В. В. Чернышев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2004. – № 4. – С. 20–22. – URL: http://www.avtomash.ru/gur/2004/200404.htm (дата обращения: 02.02.2021).

26. Murphy, R. R. Human-Robot Interaction in Rescue Robotics / R. R. Murphy. – DOI 10.1109/TSMCC.2004.826267 // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews). – 2004. – Vol. 34, Issue 2. – Pp. 138–153. – URL: https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=5326 (дата обращения: 02.02.2021).

27. Locomotion Analysis of Hexapod Robot / X. Ding, Z. Wang, A. Rovetta, J. M. Zhu. – DOI 10.5772/8822 // Climbing and Walking Robots ; B. Miripour-Fard, ed. – IntechOpen, 2010. – URL: https://www.intechopen.com/books/climbing-and-walking-robots/locomotion-analysis-of-hexapod-robot (дата обращения: 02.02.2021).