УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.30 Робототехника
Перемещение машины с шагающим движителем сопровождается динамическими колебаниями ее корпуса и большим расходом энергии на возвратно-поступательные движения опор. Наибольшее влияние на плавность хода оказывают знакопеременные ускорения подвижных масс и жесткий контакт опоры с поверхностью земли. Для снижения негативных факторов, влияющих на плавность движения и расход энергии, предлагается оптимизировать траекторию движения опор. Оптимизированная траектория движения опоры позволила снизить расход электроэнергии за один цикл движения, по сравнению с траекторией, лежащей в одной плоскости, на 12…18 %. С целью уменьшения ударных нагрузок экспериментальным путем определен временной интервал между срабатыванием датчика удара и датчика нагружения при опускании опоры на поверхность, который составил около 100 мс при скорости опускания 20 мм/сек. Снижение скорости движения опоры в момент срабатывания датчика удара после соприкосновения с поверхностью и ее последующее плавное нагружение позволило уменьшить ударные нагрузки и колебания корпуса, вызванные резкими ударами стоп о поверхность. Ускорение опоры при ударе снизилось с 6g до 1,5g. Срабатывание датчика удара, расположенного на стопе опоры, при касании с твердыми и мягкими поверхностями требует подстройки его чувствительности во время движения машины. Оптимизация алгоритма фильтрации ложных срабатываний и динамическое изменение чувствительности не дало удовлетворительного результата, поэтому конструкцию необходимо дооснастить дополнительными датчиками нагружения реагирующими на контакт с поверхностью при опускании опоры
шагающая машина, датчики, роботы, алгоритмы движения шагающей машины, электроника, микроконтроллеры
Робототехника – одно из перспективных быстроразвивающихся направлений в современном сельском хозяйстве. Автоматические машины способны выполнять многие виды работ быстрее и качественнее, чем человек. Вместе с развитием механических платформ изменяется и программное обеспечение. Сегодня существуют технологии и методологии разработки программного обеспечения, позволяющие организовать работу с данными, наладить сбор информации с множества датчиков, реализовать обход препятствий и поиск кратчайшего пути.
Шагающая машина – это платформа, использующая для передвижения шесть ног. При перемещении по не ровной поверхности в сложных условиях шагающие машины могут быть более эффективными, чем колесные и гусеничные транспортные средства [1]. Кроме того, благодаря маневренности опор шагающие машины способны передвигаться по крутым склонам, преодолевать препятствия с резким перепадом высот, разворачивать корпус на месте и двигаться в любом направлении
[2, 3]. Они применимы в условиях открытого и закрытого грунта для точного мониторинга состояния выращиваемой культуры и факторов, негативно влияющих на рост и развитие растений. В этой сфере шагающие машины имеют преимущество перед колесными и гусеничными роботами, поскольку контактируют с поверхностью в отдельных точках и не наносят вред сельскохозяйственным растениям [4]. К числу основных недостатков шагающих машин можно отнести невысокие скорости передвижения, динамические колебания корпуса во время перемещения и сложность алгоритмов управления [5, 6, 7].
Цель исследования – снижение энергозатрат путем оптимизации траектории движения опор шагающей машины с динамической устойчивостью.
Условия, материалы и методы. Для моделирования движения шагающей машины и экспериментальных исследований был изготовлен стенд, повторяющий все электронные системы машины с одной опорой. Стенд позволяет проводить моделирование движения, проверять конструкторские решения и отлаживать программное обеспечение (рис. 1).
На стенде были опробованы несколько конструкций датчиков и разные типы поверхностей: твердые – бетон, асфальт, керамическая плитка, сухая земля; мягкие – торф, трава, рыхлая почва. Разработаны алгоритмы сбора данных с сенсоров и их многопоточная обработка с выдачей команд на исполнительные механизмы.
На стенде установлен мини компьютер Raspberry Pi, импульсный источник питания, преобразователи напряжения, цепи силовой защиты, USB-HUB для подключения микроконтроллеров, отвечающих за первичную обработку данных с датчиков и последующую их передачу в цифровом виде на бортовой компьютер. Одной из важных составляющих стенда – контроллер сервомеханизмов, который включает в себя датчики тока и аналоговые датчики положения выходного вала привода. На плате установлены переключатели
для преобразования входных аналоговых сигналов, что дает возможность применять широкий спектр моделей сервомеханизмов с различными значениями сигналов обратной связи по напряжению для углового положения выходного вала редуктора (рис. 2). При помощи аналогового сигнала с датчика положения выходного вала привода осуществляется обратная связь для подтверждения перемещения рычагов опоры. Датчики тока измеряют количественный расход энергии каждого привода. Две группы выходов сервоприводов позволяют использовать сервоприводы с двумя различающимися напряжениями питания электромоторов. Через порт ввода-вывода осуществляется обмен командами и данными обратной связи с бортовым компьютером.
Выбор бортового компьютера (Raspberry Pi) был обусловлен стоимостью, возможностью масштабирования и набором доступных технологий разработки. Программирование осуществляли с использованием кроссплатформенный язык программирования Swift компании Apple. В качестве библиотеки для многопоточной обработки данных использовали Grand Central Dispatch (GCD) – технологию Apple, предназначенную для создания приложений, использующих преимущества многоядерных процессоров. Она использует потоки на низком уровне, позволяя разработчику сконцентрироваться на высокоуровневых задачах Задачи GCD легковесны, мало ресурсоемки в создании и переключении [8, 9]. Такие компьютерные технологии хорошо подходят для моделирования движений опорами и сбора данных с датчиков во время перемещения. Новизна исследования заключается в том, что написанный программный код можно встроить в качестве модуля в ROS и использовать разработанную электронику в промышленном роботостронии, а также внедрять в бортовой компьютер библиотеки, алгоритмы и электронные устройства, созданные другими разработчиками. ROS (Robot Operating System – операционная система для роботов) – это фреймворк для программирования роботов, предоставляющий функциональность для распределённой работы, основанной на архитектуре графов, когда обработка данных происходит в узлах, которые могут получать и передавать сообщения между собой.
На подвижной опоре смонтировано несколько датчиков: ускорения и ориентации, размещенный на подвижном рычаге, удара и нагружения – в стопе (рис. 3). Датчик нагружения представляет собой полимер изменяющий сопротивление под воздействием механической нагрузки [10, 11].
Движение шагающей машины по сложной неровной поверхности – комплексная задача для бортовой вычислительной системы. Во время ее перемещения из-за возвратно поступательных движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях возникают колебания корпуса [12]. Для снижения энергозатрат и колебаний корпуса машины были предложены две траектории перемещения опоры [13]. При помощи стенда был смоделирован процесс движения машины с быстрым возвратно-поступательным перемещением стопы: по траектории BCE с опусканием опоры на поверхность со срабатыванием датчиков удара и нагружения на участке DE и созданием тягового усилия на траектории EA (рис. 4).
Анализ и обсуждение результатов. Движение опоры по плоской траектории (см. рис. 4 a) требует большего количества энергии, по сравнению с искривленной (см. рис. 4 б). Оптимизированная траектории перемещения опоры позволяет снизить расход электрической энергии за один цикл, по сравнению с траекторией, лежащей в одной плоскости, на 12…18 %.
Для снижения ударных нагрузок и колебаний корпуса важно плавное опускание опоры и мягкий контакт с поверхностью. При движении по траектории DE была снята осциллограмма с датчика удара и датчика нагружения опоры (рис. 5), которая показывает временную задержку между срабатыванием двух датчиков. Интервал времени между срабатыванием датчика удара и началом нарастания сигнала датчика нагружения необходим для своевременной реакции системы управления и реакции приводов. Если он будет слишком маленьким система не сможет вовремя снизить скорость опускания опоры на участке DE, что приведет к резкому нагружению опоры весом машины, а инертность привода, в свою очередь, усилит колебания ее корпуса. Слишком большой интервал времени отразится на скоростных возможностях машины. Она будет двигаться плавно, но медленно. Поэтому необходимо найти баланс между скоростью опускания стопы и величиной колебания корпуса
опытным путем ориентируюсь на интервал времени между срабатыванием датчика удара и нагружения.
Для решения этой задачи был смоделирован процесс контакта опоры с поверхностью и создан алгоритм контроля движения. Опускание опоры осуществляли со скоростью 20 мм/сек. В момент срабатывания датчика удара (короткий импульс вверху) она снижалась до 5 мм/сек. При возрастании напряжения на датчике нагружения до 3-х вольт опускание опоры прекращалось. После задержки в 400 мс опора поднималась для выполнения следующего шага со скоростью 5 мм/сек. По спаду значения показания датчика нагружения скорость подъема опоры на траектории AB увеличивалась до 20 мм/сек на участке кривой BC.
Применение датчика удара оказалось малоэффективным. На твердых поверхностях (сухой грунт, бетон, асфальт) он срабатывал, а на мягких необходимо было увеличение чувствительности, что приводило к ложным срабатываниям. В процессе движения опоры так же проводились измерения датчиком ускорения. При срабатывании датчика удара и плавном опускании опоры перегрузка, зафиксированная датчиком, составила 1,5 g. При сильном ударе, в случае, когда датчик не срабатывал, она достигала 6 g. Оптимизация алгоритма фильтрации ложных срабатываний и динамическое изменение чувствительности не дало удовлетворительного результата в снижении ударных нагрузок, поэтому в конструкцию необходимо дооснастить дополнительными датчиками нагружения реагирующим на контакт с поверхностью при опускании опоры.
Выводы. Оптимизация траектории движения опоры снижает расход энергии и колебания корпуса машины. Перемещение опоры по оптимизированной искривленной траектории требует на 12…18 % меньше энергии за один цикл движения, чем при плоской траектории. Срабатывание датчика удара снижает ударные перегрузки с 6 g до 1,5 g.
1. Foothold Planning and Gait Generation for a Hexapod Robot Traversing Terrains with Forbidden Zones / M. Rojas, N. Certad, J. Cappelletto, et al. // 12th Latin American Robotics Symposium and 3rd Brazilian Symposium on Robotics (LARS-SBR), 2015. P. 49–54. doi: 10.1109/LARS-SBR.2015.70.
2. Петров Н. В. Разработка учебного шагающего мобильного робота // Политехнический молодежный журнал. 2019. № 9 (38). С. 7. URL: http://ptsj.ru/articles/520/520.pdf (дата обращения: 18 июня 2020) doi: 10.18698/2541-8009-2019-09-520
3. Чернышев В. В., Вершинина И. П., Арыканцев В. В. Динамическая устойчивость шагающих платформ, передвигающихся по дну // Робототехника и искусственный интеллект: материалы XI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. М.: Литера-Принт, 2019. С. 108–113.
4. Дидманидзе О. Н., Митягина Я. Г., Алейников Ю. Г. Принцип перемещения опор шагающих машин во время движения // Плоды и овощи – основа структуры здорового питания человека. Мичуринск: Мичуринский государственный аграрный университет, 2012. С. 381-384.
5. Чернышев В. В. Полевые исследования шагающих машин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. №4. С. 20–22.
6. Grzelczyk D., Szymanowska O., Awrejcewicz J. Kinematic and dynamic simulation of an octopod robot controlled by different central pattern generators // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering. 2019. Vol. 233. No. 4. P. 400–417. doi: 10.1177/0959651818800187
7. Control strategy of stable walking for a hexapod wheel-legged robot / C. Zhihua, W. Shoukun, W. Junzheng, X. Kang et al., // ISA Transactions. 2020. Vol. 108. P.367–380. doi: 10.1016/j.isatra.2020.08.033.
8. Документация разработчика технологии GCD (Grand Central Dispatch) от Apple. URL: https://apple.github.io/swift-corelibs-libdispatch/tutorial/ (Дата обращения: 05.10.2020).
9. Краткое описание технологии GCD (Grand Central Dispatch) от Apple. URL: https://web.archive.org/web/20090920043909/http://images.apple.com/macosx/technology/docs/GrandCentral_TB_brief_20090903.pdf (Дата обращения: 05.10.2020).
10. Fielding M., Dunlop R., Damaren C. Hamlet: Force/position controlled hexapod walker - Design and systems // Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Control Applications (CCA'01) (Cat. No.01CH37204). 2001. P. 984–989. doi: 10.1109/CCA.2001.973998.
11. Shaikh M., Salcic Z., Wang K. Analysis and selection of the Force Sensitive Resistors for gait characterisation // 6-th International Conference on Automation, Robotics and Applications (ICARA). 2015. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7081176 (дата обращения: 17.10.2020) doi: 10.1109/icara.2015.7081176
12. Алейников Ю. Г., Митягина Я. Г. Моделирование параметров технологической роботизированной машины. М.: ООО «УМЦ «Триада», 2016. 120 с.
13. Алейников Ю. Г. Методика расчета приводов для многоногих шагающих машин на примере шестиногой шагающей машины // Международный технико-экономический журнал. 2013. № 1. С. 100–101.
