Разработка методов интеллектуального управления робототехнической системой в условиях меняющейся внешней среды для автоматической сборки

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10213

НазваниеРазработка методов интеллектуального управления робототехнической системой в условиях меняющейся внешней среды для автоматической сборки

Руководитель Кульминский Данил Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Научно-технологический Университет "СИРИУС" , Краснодарский край

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-604 - Проблемы теории управления техническими системами

Ключевые слова Робототехника, промышленные роботы, интеллектуальные системы, компьютерное зрение, динамическая среда, силомоментный датчик, оптимальное управление.

Код ГРНТИ55.30.31, 28.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение задачи интеллектуального управления в условиях постоянно меняющейся внешней среды, как отдельным роботом-манипулятором, так и сложной робототехнической системой для автоматической сборки. Отличительной чертой проект является практическая направленность исследований для создания прототипа робототехнической ячейки для динамического манипулирования. Как правило, такие системы подразумевают взаимодействие робота со средой при неудерживающем контакте, а разработка таких систем требует либо построения математической модели, либо специальных средств измерений. Ожидаемые результаты будут иметь высокую степень научной новизны. При выполнении проекта планируется решение следующих научных задач: - Разработка методов калибровки промышленного манипулятора и развитие предложенного метода калибровки на основе вариации методов параметризации. - Развитие методов интеллектуального управления в условиях постоянно меняющейся внешней среды, как с использованием методов компьютерного зрения, так и при силомоментном взаимодействии. - Создание модели контакта при динамическом взаимодействии инструмента робота и среды. - Разработка и создание прототипа роботизированного комплекса, оснащенного интеллектуальной системой управления для экспериментальной апробации предлагаемых технических и алгоритмических решений. Решение поставленных задач требует использования комплексного подхода, сочетающего в себе методы теории автоматического управления, машинного зрения, а также обработки сигналов от измерительных устройств. В рамках такого подхода планируется проведение комплексных фундаментальных научных исследований по разработке статистических методов калибровки, распознавания объектов для динамического манипулирования по изображению, создания и совершенствования на основе полученных фундаментальных знаний математических моделей исследуемых объектов, а также построение на основе разработанных методов интеллектуальной системы управления для работы в изменяющейся среде.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Суменков О.Ю., Кульминский Д.Д., Гусев С.В. Kinematic calibration of industrial manipulator without external measurement devices Russian Journal of Nonlinear Dynamics, №3 (год публикации - 2024)

2. Соколов В.С., Кульминский Д.Д. Прототип робастной системы сборки резьбового соединения на базе робота-манипулятора методами силомоментного управления Робототехника и техническая кибернетика (год публикации - 2024)

3. Медведева Т.Н. , Суменков О.Ю. , Фридман Л.М. Step-test based procedure for Super-Twisting Algorithm gains adjustment 2024 17th International Workshop on Variable Structure Systems (VSS), pp. 158-163 (год публикации - 2024)
10.1109/VSS61690.2024.10753407

4. Иван М. Тарабукин, Сергей В. Гусев An Approach to Sliding Mode Control of Linear Systems with Periodic Coefficients 2024 17th International Workshop on Variable Structure Systems (VSS) (год публикации - 2024)
10.1109/VSS61690.2024.10753403

5. Суменков О.Ю., Медведева Т.Н., Гусев С.В., Фридман Л.М. Super-Twisting Algorithm Gain Adjustment Strategy for Manipulator Position Control Lecture Notes in Computer Science, In: Ronzhin, A., Savage, J., Meshcheryakov, R. (eds) Interactive Collaborative Robotics. ICR 2024. Lecture Notes in Computer Science vol 14898. pp. 15–29 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/978-3-031-71360-6_2

6. Соколов В.С., Кульминский Д.Д. Робототехническая система для трехмерной ультразвуковой реконструкции на основе силомоментного управления Информационно-управляющие системы, № 1, С. 51-59. (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.31799/1684-8853-2025-1-51-59

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Решены задачи аналитического преобразования параметров для кинематических моделей (соглашение Денавита-Хартенберга (DH), метод, основанный на произведении экспонент (POE), преобразование Hayati и полную и параметрически непрерывную (CPC) модель) последовательных многозвенных механизмов. В ходе работы на основе вышеуказанных преобразований разработан алгоритм для калибровки, где необходимо преобразовать модель DH в модель POE для идентификации, а затем обратно в модель DH, так DH параметризация является классической и ее параметры используются для решения задач планирования и стабилизации траектории. Установлена точность предложенных преобразований на примере известной модели PUMA 560 путем моделирования прямой кинематики. Предложенная методика, использующая переходы от различных параметризаций, проверена при калибровке манипулятора ABB IRB 1600. Проведена проверка абсолютной точности манипулятора с калиброванными наборами параметров с помощью API Radian Laser Tracker. Установлено, что средняя ошибка по позиции инструмента при нелинейной оптимизации для DH соглашения 0.0928 мм, Hayati 0.0926 мм, CPC 0.0766 мм и POE 0.0853 мм при номинальных параметрах в 0.26 мм, стандартное отклонение 0.0395 мм, 0.0394 мм, 0.0304 мм, 0.0374 мм при номинальных 0.11 мм, соответственно. Максимальная ошибка 0.1816 мм 0.1810 мм, 0.1318мм, 0.1798 мм, при номинальных 0.57 мм, соответственно. Разработаны алгоритмы управления, обеспечивающие выполнение резьбового соединения при любой ориентации детали и с множеством резьбовых соединений. Разработанные алгоритмы, обеспечивают выполнение резьбового соединения при любой ориентации детали, чтобы добиться полного цикла сборки изделия с множеством резьбовых соединений. Методы интеллектуального управления адаптированы для работы в условиях меняющейся внешней среды, используя методы на основе компьютерного зрения, так и разработаный силомоментный регулятор обеспечивающий контакт роботы со средой взаимодействия. Предложен способ бесконтактного управления роботом-манипулятором на основе дальностного изображения кисти руки, полученного с камеры глубины. На основании облака точек строится трехмерная модель кисти руки, вычисляются трехмерные координаты точек модели скелета кисти руки, определяются расстояние между рабочими пальцами схвата и его ориентация. Полученные параметры передаются в систему управления роботом-манипулятором. Далее способ предполагает обучение алгоритма распознавания жестов и сохранение в памяти системы управления жестов, соответствующих активации и деактивации режима обучения движениям, а также включению режима автономной работы робота-манипулятора. Предложен общий подход к построению управления на скользящем режиме для линейных систем с периодическими коэффициентами. Предлагается использовать линейный стабилизирующий регулятор для определения скользящей переменной в нелинейном законе управления. Доказаны теорема об условиях возникновения скользящего режима в системах с периодическими коэффициентами и теорема об условиях, предъявляемых к исходному линейному регулятору, при которых нелинейная система с замкнутым контуром асимптотически устойчива при наличии ограниченных согласующих возмущений. Проведено моделирование замкнутой системы с линейными и нелинейными регуляторами, подтверждающее теоретические выводы и иллюстрирующее преимущество регуляторов скользящего режима при наличии ограниченных случайных возмущений в канале управления. Разработана стратегия синтеза внешнего контура управления для управления положением манипулятора. Для компенсации не идеальности системы был выбран Супер-Твистинг Алгоритм (СТА), способный компенсировать липшицевы возмущения, путем реализации непрерывного скользящего режима второго порядка, обеспечивая сходимость за конечное время как положения, так и скорости. Из-за значительной временной задержки возникают высокочастотные колебания выхода (чаттеринг), поэтому для минимизации амплитуды чаттеринга предложена процедура настройки коэффициента СТА. Предложенные коэффициенты СТА, минимизирующие амплитуду чаттеринга, были проверены в моделировании и подтверждены в ходе эксперимента на промышленном манипуляторе ABB IRB 1600. Реализация СТА с предложенной процедурой выбора коэффициента продемонстрировала частичную компенсацию возмущений и несовершенств системы, улучшив точность отслеживания траектории по сравнению с линейно-квадратичным регулятором/предиктором, а также со встроенной системой управления. Предложена математическая модель контакта инструмента робота с нелинейным упругим телом. Использован регулятор, разработанный на первом году проекта и обеспечивающий контакт руки робота с поверхностью при заданной силе давления. Проведено моделирование, в котором уравнения движения инструмента манипулятора представлены в виде интегрирующих звеньев с запаздыванием. Доказана устойчивость такой системы с предложенным регулятором. Для доказательства использована модель вязкоупругого тела Кельвина-Фойгта.

Публикации