Опыт создания антропоморфного робота

Реализованные проекты

Размещено на http://www.allbest.ru/

76

http://tmm.spbstu.ru

ОПЫТ СОЗДАНИЯ АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА

Д.Д. МОРДОВЧЕНКО, В.В. СОРОКИН,

В области робототехники последнее десятилетие отмечено устойчивым ростом интереса к созданию человекоподобных (антропоморфных) шагающих роботов. Интерес этот связан прежде всего с тенденцией создания безлюдных технологий с элементами искусственного интеллекта как в гражданской, так и в военной областях, а также персонального робота - партнера человека. Наибольших успехов в этом направлении добились фирмы Японии. Их многолетняя целенаправленная работа позволила создать ряд образцов роботов с поразительными характеристиками и возможностями.

Работа в этом направлении ведутся и в России, хотя и менее интенсивно. Одним из предприятий, имеющих собственные разработки антропоморфного робота является Санкт-Петербургское ОАО «Новая ЭРА». Результатом работы сектора робототехники этого предприятия за последние два года было создание в 2002 году сначала полномасштабного макета робота АРНЭ-01, а затем, в 2003 году, двух роботов АРНЭ-02, которые впервые представлены на Военно-Морском салоне в июне того же года в Санкт-Петербурге.

На этапе работ по созданию макета АРНЭ-01 решались следующие основные задачи:

- проверка геометро-кинематических параметров компоновки;

- проверка конструктивных решений элементов опорно-двигательного аппарата;

- поиск и проверка вариантов технологии изготовления несущих элементов конструкции;

- проверка и отработка систем программного управления движением;

- проверка систем электропривода;

- моделирование и отработка на макете различных вариантов походки робота;

- разработка и адаптация ПО управления различными подсистемами робота;

- подготовка кадров.

Состав макета робота АРНЭ 01:

1. Несущая оболочковая конструкция с элементами силового электропривода в шарнирах.

2. Силовой электропривод на базе двигателя постоянного тока мощностью 10Вт с волновым редуктором, энкодера, потенциометрического датчика положения исполнительного органа, драйвера и двухканального унифицированного контроллера KR1-04, разработанного ОАО «Новая ЭРА».

3. Система управления на базе ПК.

4. Блок вторичных источников электропитания и блок коммутации.

5. Система технического зрения с одной (в перспективе - двумя) цветными видеокамерами.

6. Система контроля устойчивости, включающая блоки тактильных датчиков на каждой стопе, а также блок гироскопов и датчиков линейных ускорений.

Несущая оболочковая конструкция макета выполнена из полиамида. Подвижные сочленения элементов конструкции реализованы 1, 2 и 3-х степенными шарнирами с независимым приводом по каждой координате. Двадцать шесть электроприводов макета позволяют выполнять программное перемещение в пространстве (ходьбу), движение руками, захват предметов схватом кисти рук и ее поворот, ориентацию видеокамер по азимуту и углу места. Питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока +24 В, 10 А. Габариты робота АРНЭ 01: 1375х635х400 мм, вес - 32,6 кг, число степеней подвижности - 26.

Внешний вид представлен на рис.1, его кинематическая схема - на рис.2.

Экспериментальные работы с макетом позволили проверить основные конструктивные и технологические решения, опробовать программное обеспечение, промоделировать варианты походки и программного перемещения конечностей, проверить статическую устойчивость.

Определены оптимальные по критериям устойчивости значения параметров ходьбы: величина шага - 60мм; скорость прямолинейного перемещения - 0,3м/мин; темп ходьбы - 4 шага/мин.

Необходимо отметить, что все исследования проводились в области статической походки с чередованием двухопорного и одноопорного состояния макета робота. Величина шага, скорость перемещения и манипуляций конечностями ограничивались мощностью приводов и источников питания.

На основе приобретенного опыта удалось сформулировать основные технические требования к полномасштабным роботам АРНЭ-02. При их создании основное внимание было сосредоточено на повышении энерговооруженности и на поиске решений в области дизайна внешнего облика. Некоторым изменениям подверглась и кинематическая схема. Изготовлено два практически идентичных экземпляра робота - АРНЭО и АРНЭЯ, отличающиеся только цветовым оформлением и тембром голоса.

Учитывая различную требуемую мощность в шарнирах нижних и верхних конечностей, а также условия компоновки, были разработаны и изготовлены два типоразмера приводов. Они состоят из трехфазного вентильного двигателя оригинальной конструкции с условным диаметром 50 и 70 мм мощностью 16 и 60Вт [1], покупного волнового редуктора с передаточным отношением 110 и 160 соответственно и оптоэлектронного датчика положения ротора (энкодера). Это позволило сконструировать компактные 1,2 и 3-х степенные шарниры с независимым приводом по каждой координате. В состав робота входят 20 силовых вентильных привода и 8 миниатюрных приводов постоянного тока (также с встроенными редукторами).

Кинематическая схема представлена на рис.3. В отличие от макета, плечевые шарниры получили по одной дополнительной степени подвижности, а два поясных шарнира удалены и их функции частично переданы бедренным шарнирам. Изменилась конструкция схватов. Пяти палый схват имеет раздельный привод большого и группы остальных четырех, движущихся синхронно, пальцев.

Состав робота АРНЭ-02:

1. Несущая оболочковая конструкция с элементами силового электропривода в шарнирах;

2. Силовой электропривод на базе трехфазного вентильного двигателя с волновым редуктором, энкодера, потенциометрического датчика положения исполнительного органа, драйвера и двухканального унифицированного контроллера KR1-04.

3. Система управления на базе ПК.

4. Блок вторичных источников электропитания и блок коммутации.

5. Система технического зрения с цветной аналоговой ПЗС видеокамерой и радиоканалом связи с управляющим ПК.

6. Система контроля устойчивости, включающая блоки тактильных датчиков на каждой стопе, блок гироскопов и датчиков линейных ускорений.

7. Речевой процессор с радиоканалом связи с управляющим ПК и встроенными в оболочку головы динамиками.

8. Система голосового управления с внешним радиомикрофоном.

9. Радиоканал Blue Tooth^TM связи с управляющим ПК через интерфейс RS232.

10. Блок автономного питания.

11. Элементы диагностики и индикации.

Система управления имеет пять уровней [2]. Пятнадцать управляющих контроллеров на процессорах DSP56F805 фирмы Motorola связаны в общую сеть CAN. Элементы первых трех и частично четвертого уровня управления входят в состав робота, остальные реализованы внешним ПК.

Конструкция робота разработана в трехмерном графическом редакторе Solid Works 2001, что позволило изготовить несущие оболочковые элементы из стеклонаполненного полиамида методом прототипирования (процесс MDM) на установке SS2500+. Во внутренних полостях конечностей размещены контроллеры и драйверы силового электропривода; в грудной полости - блок гироскопов и датчиков линейных ускорений, контроллеры тактильных датчиков и управляющие, блок коммутации, блок вторичных источников питания, радиоканал Blue Tooth^TM и элементы индикации.

Видеосистема, речевой процессор, динамики и привод ориентации видеокамер скрыты в головной части под прозрачным экраном. В съемной панели спины установлены аккумуляторы блока автономного питания 24 В, емкостью 22А*ч, обеспечивающего 30 минут работы. Приведём некоторые параметры робота АРНЭ 02: габариты - 1235 х 520 х 315 мм, вес - 65 кг, число степеней подвижности - 28.

Внешний вид робота АРНЭ 02 представлен на рис. 4 (фотография), а на рис.5 - его компьютерная модель.

Применение новых силовых приводов в шарнирах позволило значительно увеличить диапазон угловых перемещений конечностей и, тем самым, расширить кинематические возможности робота. Экспериментально получены следующие параметры ходьбы:

- величина шага - 140 мм;

- скорость прямолинейного перемещения - 0,8 м/мин;

- темп ходьбы - 6 шагов/мин.

Изменения, внесенные в кинематическую схему верхних конечностей, сделали их более подвижными, а новый вариант кистевого схвата позволяет захватывать и удерживать цилиндрические предметы диаметром 20 - 70 мм и весом до 0,5 кг.

Система технического зрения может распознавать цветные объекты, вычислять их координаты в системе координат видеокамеры и определять положение робота относительно реперных точек.

Система голосового управления распознает команды оператора, переданные по радиомикрофону, и формирует управляющее задание. В настоящее время можно распознать около 20 различных команд.

Речевой процессор содержит в своей памяти ряд сообщений предупреждающего характера и используется для повышения безопасности работы с роботом. Кроме того, он транслирует принятые по радиоканалу сообщения (фразы) синтезированные управляющим ПК.

Демонстрация роботов на Военно-Морском салоне в Санкт-Петербурге привлекла внимание широкого круга посетителей и прошла успешно. Однако в условиях ограниченного времени, не удалось полностью отработать систему динамической устойчивости и задействовать все пять уровней системы управления. Поэтому заявленное участие наших роботов в чемпионате мира RoboCup 2003, который проводился в Италии, ограничилось их заочной презентацией.

робот технологический программный

Подводя итог проделанной работы, можно положительно оценить полученные результаты. В короткий срок удалось создать работоспособную конструкцию с привлекательным дизайном, и тем самым, обеспечить базу для отработки программного обеспечения, проверки новых принципов управления и всевозможных идей, а также для совершенствования элементов самого робота.

Следует подчеркнуть, что создание роботов в ОАО «Новая ЭРА» проводилось в тесном сотрудничестве с представителями технических университетов Санкт-Петербурга, с привлечением аспирантов и студентов старших курсов к решению конкретных задач. Это дало возможность: студентам - получить хорошую практику и приобрести опыт работы; научным сотрудникам - проверить свои наработки и новые идеи, а полученные результаты использовать в учебном процессе.

Список литературы

1. DSP Controlled Drives with Embedded Permanent Magnet Synchronous Motors for Biped Walking Robot. D.D. Mordovchenko, A.V. Iakovlev, A.G.Mikerov, A.N.Doroshenko, V.V.Djankhotov. Proceedings of St. Petersburg IEEE Chapters, 2003, pp 78-81. SPb ETU “LETI” Publishing House.

2. Станкевич Л.А., Тихомиров В.В. Управление устойчивой походкой антропоморфного робота. Труды XIV НТК «Экстр емальная робототехника». - СПб.: СПбГТУ, 2003.

3. Д.Д. Мордовченко, Л.А. Станкевич, А.В. Яковлев. Опыт разработки антропоморфных роботов и программ-агентов по футболу роботов на фирме «Новая ЭРА», Санкт-Петербург. Тезисы доклада на семинаре «Робототехника и мехатроника». - М.: изд-во «Новые технологии», 2004.

Размещено на Allbest.ru