05. Моделирование движения опоры шагающей машины с динамической устойчивостью при помощи стенда / Ю. Г. Алейников, О. Н. Дидманидзе

Печать

УДК 621.3:004.932.2

DOI: 10.15507/2658-4123.031.202101.080-096

Моделирование движения опоры шагающей машины с динамической устойчивостью при помощи стенда

Алейников Юрий Георгиевич
соискатель кафедры тракторов и автомобилей ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева» (127550, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), кандидат технических наук, Researcher ID: AAS-2070-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6586-9741, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Дидманидзе Отари Назирович
заведующий кафедрой тракторов и автомобилей ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева» (127550, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), академик РАН, доктор технических наук, профессор, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2558-0585, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

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.

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

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Алейников, Ю. Г. Моделирование движения опоры шагающей машины с динамической устойчивостью при помощи стенда / Ю. Г. Алейников, О. Н. Дидманидзе. – DOI 10.15507/2658-4123.031.202101.080-096 // Инженерные технологии и системы. – 2021. – Т. 31, № 1. – С. 80–96.

Заявленный вклад соавторов:
Ю. Г. Алейников – идея, обоснование цели и задач, проектирование и изготовление испытательного стенда, проведение лабораторных испытаний.
О. Н. Дидманидзе – научное руководство, консультации, анализ и доработка текста.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 09.10.2020; одобрена после рецензирования 20.12.2020;
принята к публикации 15.01.2021

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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 3^rd 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 11^th 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 15^th 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).

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.