Адаптивное управление транспортно-манипуляционным роботом при наличии параметрической неопределенности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алхаддад Мухаммад

• Алхаддад Мухаммад
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Алхаддад Мухаммад

Введение

Глава 1. Робототехнические комплексы для обслуживания

вертикальной поверхности и алгоритмы управления

их движением

1.1 Робототехнические комплексы вертикального перемещения: конструкции и назначение

1.2 Алгоритмы управления роботизированными комплексами, способными перемещаться между поверхностями

1.3 Прототип робототехнического комплекса и его алгоритма управления

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Моделирование и управление движением

манипулятора с замкнутой кинематической цепью

2.1 Описание конструкции манипулятора

2.2 Математическое моделирование манипулятора

2.3 Управление движением манипулятора

2.4 Численное моделирование

2.5 Выводы по главе

Глава 3. Адаптивное управление движением мобильного

колесного робота с учетом неидеальности приводов

3.1 Математическая модель мобильного колесного робота

3.2 Адаптивное отслеживание траектории на основе динамической модели

3.3 Численное моделирование

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Проектирование и тестирование робототехнического

комплекса

4.1 Прототип робототехпического комплекс и этапы реализации его

движения

4.2 Реализация алгоритма управления маннпуляционным механизмом

4.3 Реализация алгоритма управления транспортной платформой

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Публикации автора по теме диссертации

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивное управление транспортно-манипуляционным роботом при наличии параметрической неопределенности»

Введение

Роботы, в том числе мобильные роботы вертикального перемещения, широко используются в труднодоступных местах или в экстремальных условиях, в которых человеку выполнять работы опасно или трудно. Экстремальные условия могут характеризоваться повышенной радиоактивностью, высокими температурами, загазованностью и т.п. Например, необходимо дезинфицировать помещения, в том числе стены и потолки, выполнять аварийно-профилактические работы на атомных электростанциях, проводить противопожарные работы, выполнять строительно-монтажные, малярные работы на высоте при возведении различных конструкций. Потребность в роботах вертикального перемещения привела к расширению исследований роботов этого класса. Существует множество работ, в которых предлагаются и исследуются различные способы перемещения роботов по вертикальным поверхностям, и для каждого из этих способов разрабатываются, исследуются и реализуются алгоритмы управления движением. Несмотря на многочисленные исследования самих роботов вертикального перемещения, очень мало исследований посвящено мобильным платформам, которые транспортируют робот к обслуживаемой вертикальной поверхности и приводят его в рабочее положение. Наличие роботизированных транспортных платформ позволяет полностью автоматизировать и сделать безопасным обслуживание вертикальных поверхностей, приближение человека к которым невозможно из-за свойств среды, например, из-за повышенной радиоактивности, загазованности или высокой температуры.

Диссертация посвящена проблемам управления транспортно-манипуляци-онным робототехническим комплексом, предназначенным для транспортировки и приведения в рабочее положение колесного робота вертикального перемещения с вакуумным контактным устройством, при наличии параметрических неопределенностей. Комплекс состоит из колесной транспортной платформы, робота вертикального перемещения и манипулятора. В транспортном режиме робот прикреплен к рабочему органу (захвату) манипулятора и расположен на платформе днищем вверх так, что контактная поверхность робота практически параллельна плоскости платформы. Когда платформа приблизится к обслуживаемой вертикальной поверхности, манипулятор переводит робот в рабочее по-

ложение, ориентируя его днище так, чтобы эффективная поверхность контакта была параллельной обслуживаемой поверхности, и затем приводит робот в контакт с этой поверхностью. После этого включается вакуумный насос робота, робот присасывается к стене, отсоединяется от захвата манипулятора, а затем перемещается вдоль стены в независимом режиме.

Отличительной особенностью функционирования современных роботизированных систем является их работа в условиях неполной информации. Неполнота информации возникает по ряду причин: из-за непредвиденных изменений во внешней среде, из-за помех в датчиках, выполняющих измерения, и в канале управления, из-за изменений параметров самой системы вследствие, например, износа, из-за неточностей математической модели, используемой для построения алгоритма управления. Кроме того, имеют место ошибки при выполнении команд управления, вызванные вычислительными погрешностями. Для компенсации параметрических неопределенностей, а также внешних неконтролируемых возмущений, предлагается использовать адаптивные алгоритмы управления движением колесной платформы и манипулятора.

Актуальность темы работы обуславливается востребованность специализированного транспортно-манипуляционного комплекса для доставки робота вертикального перемещения к месту работы без вмешательства оператора. Такие комплексы в настоящее время отсутствуют, и их создание представляется актуальной научно-технической задачей. Такие комплексы должны обеспечить движения с достаточно высокой точностью в условиях неопределенности знаний о параметрах системы. Решение этой задачи требует построения адаптивных режимов управления. Разработка таких режимов требует проведения прикладных исследований в области механики и теории управления. Необходимость таких исследований обусловливает научную актуальность представляемой работы.

Целью данной работы является построение, исследование и экспериментальная реализация адаптивного управления робототехническим комплексом для обслуживания вертикальных поверхностей при наличии параметрических неопределённостей, вызванных неполнотой информации о геометрических и инерционных характеристках платформы, манипулятора и объекта манипулирования (робота вертикального перемещения), а также неидеальностью приводов.

Данное исследование мотивировано разработкой в лаборатории робототехники и мехатроники Института проблем механики им. А.Ю, Ишлинского Российской академии наук мобильного робототехнического комплекса для обслуживания сильно наклонных и вертикальных поверхностей. Исследование выполнено в ИПМех РАН на базовой кафедры "механики и процессы управления "Московского физико-технического института.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать математические модели специализированного манипулятора и колесной транспортной платформы с учетом динамики приводов.

2. Разработать способы адаптивного управления для колесной платформы и манипулятора с учетом параметрических неопределенностей и наличия в системе трения с неизвестными характеристиками.

3. Разработать прототип робототехнического комплекса для обслуживания вертикальных поверхностей. Изучить влияние параметрических неопределенностей на движение колесной платформы и манипулятора.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложена оригинальная схема манипулятора для работы в составе транспортно-манипуляционного комплекса для колесного робота вертикального перемещения. Построена математическая модель манипулятора и на ее основе разработан алгоритм адаптивного управления, позволяющий осуществлять точные манипулирования робота вертикального перемещения при наличии параметрической неопределенности. Проведено компьютерное моделирование, показавшее эффективность предложенного алгоритма управления.

2. Предложен алгоритм адаптивного управления колесной платформой транспортно-манипуляционного робототехнического комплекса. Кроме неопределенностей в информации геометрических и инерционных параметрах мобильной платформы и транспортного объекта, алгоритм позволяет компенсировать неидеальность в конструкции приводов.

3. Построен физической прототип транспортно-манипуляционного комплекса и системы управления, реализующей предложенные адаптивные режимы управления. Проведены экспериментальные исследования

подтверждающие работоспособность и эффективность предложенных режимов управления.

Научная новизна:

1. Предложена конструктивная схема для специализированного манипулятора, предназначенного для приведения робота вертикального перемещения из транспортного положения в рабочее положение. Разработана математическая модель этого манипулятора.

2. Предложен и обоснован способ адаптивного управления специализированным манипулятором с учетом неполной информации о параметрах системы, в частности, массы и момента инерции выходного звена.

3. Предложен и обоснован способ адаптивного управления мобильной колесной платформой с учетом параметрических неопределенностей. Такой способ адаптивного управления обеспечивает отслеживание заданной траектории при наличии параметрических неопределенностей и неидеальности приводов.

Научная и практическая значимость Методы и результаты, предложенные в диссертационной работе, могут быть использованы при исследовании и проектировании системы управления движением тронспортно-манипуляцион-ных роботов. Эти методы позволяют обеспечить полную автоматизацию управления роботами без вмешательства оператора. Методы предложенные в диссертации, позволяют разрабатывать перспективные модели роботов, способных эффективно функционировать в условиях неполной информации о параметрах работоы и объектов манипулирования и при погрешностях в конструкции приводов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается соответствием математических моделей роботов их конструкциям и условиям эксплуатации, использованием адекватных математических методов при теоретическом анализе этих моделей, тестированием построенных моделей в среде компьютерного моделирования и проведением экспериментов на созданном прототипе робото-технического комплекса.

Апробация работы. Результаты полученные в работе, обсуждались на следующих конференциях:

1. 60-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 20-26 ноября, 2017, Москва-Долгопрудный-Жуковский, Россия

2. IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 28-31 января. 2019, Moscow and St. Petersburg, Russia

3. 62-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 18-23 ноября, 2019, Москва-Долгопрудный-Жуковский, Россия

4. IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 26-29 января. 2021, Moscow and St. Petersburg, Russia

5. 63-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 23-29 ноября, 2020, Москва-Долгопрудный-Жуковский, Россия

6. 65-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 03-08 апреля, 2023, Москва-Долгопрудный-Жуковский, Россия

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 7 научных работах, из которых 4 статьи напечатаны в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ и/или индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus.

Личный вклад соискателя в работах с соавторами заключается в следующем: [4] - предложение алгоритма управления, проведение вычислительных экспериментов и анализ результатов; [6,7] - разработка комплекса, его физическое воплощение и проведение всех экспериментов.

Краткое содержание работы

Во введении приводится краткое содержание диссертации, обосновывается актуальность и научная новизна темы диссертационного исследования.

В первой главе рассматриваются конструкции и системы управления роботами, способными перемещаться с горизонтальной поверхности на вертикальную, и показаны преимущества различных конструктивных решений и алгоритмов управления, приводится описание транспортно-манипуляционного комплекса, а также дается краткий обзор состояния исследований по адаптивному управлению роботами, роботизированные системы.

Во второй главе предлагается и исследуется способ робастного управления специализированным манипулятором с замкнутой кинематической цепью, предназначенным для работы в составе робототехнического комплекса для обслуживания вертикальных поверхностей. В транспортном положении робот прикреплен к рабочему органу (схвату) манипулятора и расположен на платформе так, что его контактная плоскость почти параллельна плоскости платформы. После подъезда платформы к стене манипулятор приводит робот в рабочее положение, подводя его контактной плоскостью к поверхности стены. Затем включа-

ется вакуумный насос робота, робот присасывается к стене, отсоединяется от схвата манипулятора и в дальнейшем передвигается по стене в автономном режиме.

В третьей главе предлагается схема адаптивного управления отслеживанием программных движений колесной платформы, которая учитывает пара-метричекие неопределенности в конструкции платформы, а также неидеальности исполнительных механизмов. Алгоритм управления строится на основе функций Ляпунова. Неидеальность исполнительных механизмов проявляется в различии моментов, реализуемых приводами различных колес, при одном и том же управляющем сигнале. Такое поведение связано прежде всего с трением в трансмиссионных механизмах, передающих вращение от электродвигателей через редукторы к колесам. Алгоритм адаптивного управления позволяет снизить нестабильность угловых скоростей колес при постоянном управляющем напряжении и устранить различия в динамическом поведении колес за счет компенсации неидеальностей этих механизмов средствами управления.

Четвертая глава посвящена проектирование и тестирование прототипа ро-бототехнического комплекса с использованием схем управления, представленных во второй и третьей главах. В этой главе представлены алгоритмические схемы программных кодов, используемых при фактической реализации предлагаемых контроллеров, а также двигателей, микроконтроллеров и других электронных элементов, присутствующих в прототипе. Также результаты тестирования прототипа представлены в этой главе.

В заключении резюмируются основные результаты диссертационной работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 96 страниц с 47 рисунками и 1 таблицей. Список литературы содержит 79 наименований.

Глава 1. Робототехнические комплексы для обслуживания вертикальной поверхности и алгоритмы управления их движением

Роботы, в том числе с вертикальным перемещением, широко используются в труднодоступных местах или местах и условиях, где человеку опасно или трудно выполнять работу самостоятельно. Экстремальные условия и окружающая среда могут характеризоваться повышенной радиоактивностью, высокими температурами, загазованностью и т.д [1]. Например, необходимо дезинфицировать помещения, в том числе стены и потолки, выполнять аварийно-профилактические работы на атомных электростанциях |2 4|. проводить противопожарные работы, выполнять строительно-монтажные работы или осматривать бетонные конструкции [5]. В области передового производства одной из задач является расширение использования автономных или коллаборативных роботов в различных отраслях, таких как автомобильная промышленность, самолетостроение и судостроение, а также в энергетике. Большинство мобильных роботов, используемых в настоящее время, могут двигаться по горизонтальным поверхностям или поверхностям с небольшим наклоном. Однако этого недостаточно для предприятий, производящих или обслуживающих крупногабаритных изделия, такие как самолеты или морские суда [6; 7]. Требуется разработка мобильных роботов, способных передвигаться по вертикальным поверхностям, например, корпусам кораблей. Робот может выполнять различные задачи, как автономно, так и интерактивно, в зависимости от сложности. Потребность в роботах вертикального перемещения привела к расширению исследований в этой области робототехники. Хотя существует много специализированных роботов-манипуляторов, которые выполняют задачи на различных поверхностях, возможности этих роботов остаются ограниченными. В частности, они не могут переходить с горизонтальной поверхности на вертикальную. Требуется разработка модулей, которые позволяют роботу переходить на вертикальную поверхность в автономном режиме. В этой главе обсуждаются конструкции и системы управления роботами, использующими такие модули, и показываются достоинства различных конструктивных решений и алгоритмов управления.

и

1.1 Робототехнические комплексы вертикального перемещения:

конструкции и назначение

Мобильные роботы можно классифицировать в зависимости от поверхности, по которой они передвигаются. Поэтому существуют мобильные роботы, которые передвигаются по горизонтальным или вертикальным поверхностям. Кроме того, существуют роботы, которые предназначены для перемещения по произвольно ориентированным поверхностям - горизонтальным, вертикальным, наклонным и потолочным [8]. Одним из способов удержания мобильных роботов на вертикальной поверхности является прижатие избыточным атмосферным давлением, создаваемым за счет разрежения воздуха в контактной зоне робота. Разрежение воздуха создается вакуумным насосом, которым снабжен робот. Другой широко используемый способ удержания роботов на вертикальной поверхности - применение магнитного захватного устройства, с помощью которого робот прикрепляется к поверхности и удерживается на ней. Первый способ характеризуется возможностью перемещения по поверхностям с различными типами материалов, второй предназначен только для перемещения по ферромагнитным поверхностям. Некоторые прототипы роботов, которые могут перемещаться как по вертикальным, так и по горизонтальным поверхностям, были представлены в [д—32]. Эти роботы либо используют один и тот же модуль для движения по разным поверхностям, как в [9—20], либо у них есть разные модули движения на каждой поверхности, как в прототипах в [29; 30], либо они используют вспомогательный модуль вертикального перемещения вместе с модулями горизонтального движения [31—34].

Примерами прототипов роботов, движущихся с одним модулем по разным поверхностям, являются двуногие или многоногие роботы, такие как RAMR1 [9], RÖMERIN [10; И], W-Climbot [12; 13], HHJ [14], Mag-Climbot [16], и HWCR [17]. На рис. 1.1 показаны прототипы роботов HWCR и RÖMERIN. Робот HWCR имеет две ноги, в то время как в конструкции робота RÖMERIN есть шесть ног. Некоторые из этих моделей характеризуются относительно быстрым переходом с одной поверхности на другую, а также возможностью обходить препятствия, но конструкция этих роботов усложняет передвижение по одной поверхности,

т

а) HWCR б) RÖMERIN

Рисунок 1.1 Примеры прототипов с одним модулем движения

так как они выполняют серию шагов для перехода из одного положения в дру-

Прототипы роботов, перемещающихся одним модулем по разным поверхностям, включают, также, роботы, имитирующие движение гекконов, которые способны карабкаться по гладким вертикальным поверхностям, используя для крепления клейкие эластомерные материалы котороыми покрыть стопы ног. Примерами таких роботоы могут служить роботы \¥аа1Ьо1, [21; 22], СескоЬо^ [23; 24] и АсгоЬс^ [27]. Робот \Vaalbot представляет инновационное решение, состоящее в использовании вращающихся ног для перехода с одной плоскости на другую, а возможность перехода между плоскостями для роботов СескоЬо!, и АсгоЬо!, достигнута за счет усложнения робототехнических механизмов и алгоритмов управления, потому что движение этих роботов целиком базируется на принципе движения геккона. Роботы \¥аа1Ьо!;, СескоЫЛ и АсгоЬо!, характеризуются большим отношением их максимальные скорости к линейным размерам по сравнению с аналогичной характеристикой для других шагающих роботов, например, типа HWCR. Работы способны плавно переходит с одной поверхности на другую. Однако они обладают малой грузоподъемности, что служит главным препятствием их практическому применению. Исследования роботов, имитирующих движения гекконов, по-прежнему касаются использования механизма установки на поверхность движения или ограничиваются роботами небольших размеров [25; 26].

а) шагающий, ROBICEN б) колесной транспортное средство

Рисунок 1.2 — Примеры прототипов с двумя модулами движения

В [28] представлено моделирование новой модели робота-гексапода, карабкающегося по стене. Хотя эксперименты на реальном прототипе не описаны, моделирование показывает, что робот может перемещаться по вертикальным и горизонтальным поверхностям с помощью одного модуля движения. Однако переход с горизонтальной поверхности на вертикальную не описан.

Примерами прототипов роботов, движущихся с разными модулями на каждой поверхности, являются колесные или шагающие роботы с двумя транспортными платформами, такие как ROBICEN [29] (рис. 1.2а) и транспортное средство [30], изображенное на рис. 1.26. Модули этих роботов соединены между собой управляемыми шарнирами [8]. Этот тип роботов способен плавно переходить между различными поверхностями, но данные роботы отличаются повышенной собственной массой, что снижает их скорость.

Роботы со вспомогательными модулями включают в себя колесные роботы, оснащенные пропеллерами для удержания на наклонных или вертикальных поверхностях [31—34]. Эти роботы двигаются и ориентируются колесами на разных поверхностях, а пропеллер активируется только при движении на негоризонтальных поверхностях. Эти роботы прижимаются к поверхности давлением, создаваемым пропеллером, чтобы увеличить силу трения между колесами движущегося робота и поверхностью перемещения, если эта поверхность не гори-

зонтальна. Некоторые из этих моделей имеют один пропеллер, установленный горизонтально в середине шасси робота, как в [32], в то время как в других моделях есть два пропеллера, каждый из которых расположен в середине оси, соединяющей передние и задние колеса [33]. Хотя первый прототип может перемещаться по наклонным поверхностям и был протестирован на внутренней цилиндрической поверхности, он не может перемещаться между различными наклонными поверхностями. В отличие от него, второй прототип способен переходить с одной поверхности на другую. Для таких роботов характерен плавный и быстрый переход между различными поверхностями. Однако использование аэродинамической системы для прижатия робота к поверхности существенно затрудняет точную реализацию программного движения робота [34].

В последние годы было предложено множество прототипов роботов с вертикальным перемещением [5; 6; 35 401 для выполнения различных задач, и некоторые из этих роботов были предназначены для перемещения по шероховатым поверхностям [37]. Эти прототипы роботов характеризуются надежностью при перемещении по вертикальной или наклонной поверхности, они способны переносить грузы, подходящие для технологического процесса, но им всегда требуется вмешательство человека, чтобы поместить их на поверхность перемещения, поскольку они не способны перемещаться с одной поверхности на другую.

1.2 Алгоритмы управления роботизированными комплексами, способными перемещаться между поверхностями

Управление движением роботов является важным элементом в работе робототехнических систем. Система управления позволяет приводить роботы в зону технологического процесса, а также управлять оборудованием, необходимым для выполнения этого процесса. Управление роботами или робототех-ническими комплексами, предназначенными для обслуживания вертикальных и наклонных поверхностей, делится на диспетчерское и автоматизированное управление. Некоторые прототипы этих роботов имеют полностью автоматизированные системы управления, разработанные для них. Существуют и другие

модели, в которых полностью или частично используется диспетчерское управление. Для методов диспетчерского управления часто требуется присутствие человека в непосредственной близости от места перемещения робота или технологического процесса, чтобы помочь в правильном позиционировании робота на поверхности движения или для перемещения этого робота между различными поверхностями. Что касается роботы с автоматизированным управлением, то для роботов вертикального перемещения этого типа было предложено несколько алгоритмов управления. Большинство из этих алгоритмов были разработаны с учетом того, что геометрические и динамические параметры математической модели робота постоянны, и не учитывали изменения этих параметров в результате нагрузки или какого-либо дефекта в конструкции робота. Кроме того, сложность механической структуры робота приводит к увеличению числа степеней свободы системы и, следовательно, к усложнению используемых алгоритмов управления. Ниже рассматриваются алгоритмы , используемые для управления движением различных прототипов роботов или робототехнических комплексов, предназначенных для передвижения между двумя различными поверхностями.

Для шагающих роботов, имеющих две или более ног, большинство рассмотренных способов управления их движением используют независимые контроллеры для каждого сустава каждой ноги в дополнение к общему контроллеру, ответственному за отслеживание желаемого пути [12; 13; 16; 17]. В [14] представлена конструкция и описан алгоритм управления движением двуногого шагающего робота HHJ. Для реализации одного шага на одной и той же поверхности этого робота используется ПИД-контроллер для управления каждым из трех вращательных и одним призматическим шарнирами. В [15] предложен алгоритм управления автономным движением шагающего робота вертикального перемещения с использованием принципов нечеткой логики. Сложность конструкции прототипа RÖMERIN привела к использованию набора контроллеров для отслеживания заданной траектории [10; 11]. В [41] представлена система управления, в которой контроллер верхнего уровня основан на стратегии прогнозирования модели (model predictive control), а контроллеры конечностей используют скользящие режимы для преодоления влияния неопределенностей модели и внешних возмущений на качество отслеживания движения. В [20] предложен адаптивный ПИД-контроллер для управления движением двуного-

го робота-скалолаза. Адаптационные свойства этого контроллера используются для компенсации изменения массы и момента инерции робота в результате изменения нагрузки. Особенность управления этим типом робота заключается в том, что сложность контроллера возрастает с увеличением сложности конструкции робота и, следовательно, числа его степеней свободы.

Движение роботов СескоЬо! и АсгоЬо! осуществляется посредством движением четырех ног, каждая из которых имеет как минимум два сустава, и для каждого сустава требуется свой сигнальный эталон; эти сигналы генерируются через центральный генератор эталонов [23]. Переходе с горизонтальной плоскости на вертикальную или наоборот требует большего числа степеней свободы по сравнению с числом степений свободы, требующихся для движением по одной поверхности, что учложняет алгоритм управления [23; 27]. Подобным образом (с использованием генератора эталонов) управляется движение робота [28], ноги которого вращаются и имеют одну степень свободы каждая. Однако в [28] остается неясным способ перехода с горизонтальной плоскости на вертикальную.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алхаддад Мухаммад, 2023 год

Список литературы

1. Градецкий В. Г. , Рачков М. Ю. Роботы вертикального перемещения / М.: Тип. Мин. Образования РФ. — 1997. — 223 с.

2. Guan D., Yan L., Yang Y., Xu W. A small climbing robot for the intelligent inspection of nuclear power plants // 2014 4th IEEE International Conference on Information Science and Technology. — 2014. — P. 484-487.

3. Lee W. , Hirai M. , Hirose S. Gunryu III: reconfigurable magnetic wall-climbing robot for decommissioning of nuclear reactor // Advanced Robotics. — 2013. - Vol. 27. No 14. - P. 1099-1111.

4. Daewon K., Yun S. K., Kyoungyong N., Misuk J., Seoungrae K. Wall-Climbing Robot with Active Sealing for Radiation Safety of Nuclear Power Plants // Nuclear Science and Engineering. - 2020. - Vol. 194, No 12. - P. 1162-1174.

5. Yang L., Li В., Feng J., Yang G. Chang Y., Jiang В., Xiao J. Automated wall-climbing robot for concrete construction inspection // Journal of Field Robotics. - 2023.

6. Haocai H., Danhua L., Zhao X., XianLei C., Shuyu L., Jianxing L., Yan W. Design and performance analysis of a tracked wall-climbing robot for ship inspection in shipbuilding // Ocean Engineering. — 2017. — Vol. 131. — P. 224-230.

7. Kermorgant O. A magnetic climbing robot to perform autonomous welding in the shipbuilding industry // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. - 2018. - Vol. 53. - P. 178-186.

8. Градецкий, В. Г., and Вешников, В. В., Калиниченко, С. В., Кравчук, Л. Н. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям / М: Наука. — 2001. 360 с.

9. Minor М., Dulimarta Н., Danghi, G., Mukherjee R. Lai Tummala R., Aslam D. Design, implementation, and evaluation of an under-actuated miniature biped climbing robot // Proceedings. 2000 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2000). - 2000. - Vol. 3. - P. 1999-2005.

10. Hernando M. , Brunete A. , Gambao E. ROMERIN: A Modular Climber Robot for Infrastructure Inspection // IFAC-PapersOnLine. — 2019. — Vol. 52, No 15. - P. 424-429.

11. Hernando M., Gambao E., Prados C., Brito D., Brunete A. ROMERIN: A new concept of a modular autonomous climbing robot // International Journal of Advanced Robotic Systems. — 2022. — Vol. 19, No 5.

12. Zhu H., Guan Y., Cai C., Jiang L., Zhang X., Zhang H. W-Climbot: A modular biped wall-climbing robot // 2010 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. — 2010. — P. 1399-1404.

13. Zhu II., Guan Y., Wu W., Zhou X., Zhang L., Zhang X., Zhang H. The superior mobility and function of W-Climbot — A bio-inspired modular biped wall-climbing robot // 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. - 2011. - P. 509-514.

14. Krosuri S. P. , Minor M. A. Design, Modeling, Control, and Evaluation of a Hybrid Hip Joint Miniature Climbing Robot // The International Journal of Robotics Research. - 2005. - Vol. 24, No 12. - P. 1033-1053.

15. Ястребова И. В. , Воротников С. А. , Калиниченко С. В. Система управления шагающим роботом вертикального перемещения // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. — 2019. — No 3. — С. 131-142.

16. Zhu Н., Lin Z., Yan J., Ye P., Zhang W., Mao S., Guan Y. Compact lightweight magnetic gripper designed for biped climbing robots based on coaxial rotation of multiple magnets // Robotics and Autonomous Systems. — 2022. — Vol. 155.

17. Xiaotian S., Lu X., Haibo Xu., Chuan J., Zhibin Z., Yanjie G., Xuefeng С. A 6-DOF humanoid wall-climbing robot with flexible adsorption feet based on negative pressure suction // Mechatronics. — 2022. — Vol. 87.

18. Kamalakannan S. R., Ambigai R. Analysis of modular biped wall climbing robot with high mobility and effective transit mechanism // 2017 International Conference on Computer, Communication and Signal Processing (ICCCSP). _ 2017. - P. 1-6.

19. Guan Y., Zhu H., Wu W., Zhou X., Jiang L., Cai C., Zhang L., Zhang H. A Modular Biped Wall-Climbing Robot With High Mobility and Manipulating Function // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. — 2013. — Vol. 18, No 6. - P. 1787-1798.

20. Dong S. Gravity and inertial load adaptive control of wall-climbing robot // The Journal of Engineering. - 2019. - Vol. 2019, No 13. - C. 442-446.

21. Murphy M. P. , Sitti M. Waalbot: An Agile Small-Scale Wall-Climbing Robot Utilizing Dry Elastomer Adhesives // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. - 2007. - Vol. 12, No 3. - P. 330-338.

22. Murphy M. P., Kute C., Menguc Y., Sitti M. Waalbot II: Adhesion recovery and improved performance of a climbing robot using fibrillar adhesives // The International Journal of Robotics Research. — 2011. — Vol. 30, No 1. — P. 118-133.

23. Meng C., Wang T., Guan S., Zhang L., Wang J., Li X. Design and analysis of gecko-like robot // Chinese Journal of Mechanical Engineering-English Edition. _ 2011. - Vol. 24, No 2. - P. 224-236.

24. Bian S., Wei Y., Xu F., Kong D. A four-legged wall-climbing robot with spines and miniature setae array inspired by Longicorn and Gecko // Journal of Bionic Engineering. - 2021. - Vol. 18. - P. 292-305.

25. Jian S., Lukas B., Li Y., Boxin Z. Gecko-and-inchworm-inspired untethered soft robot for climbing on walls and ceilings // Cell Reports Physical Science. _ 2023.

26. Unver O., Murphy M., Sitti M. Geckobot and waalbot: Small-scale wall climbing robots // Infotech Aerospace. — 2005.

27. Kalouche S., Wiltsie N., Su H. J. Parness A. Inchworm style gecko adhesive climbing robot // 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - 2014. P. 2319-2324.

28. Cheng W. Leg Structure Design for Special Hexapod Robot with Climbing Vertical Walls Ability // 2020 International Conference on Electrical Engineering and Control Technologies (CEECT). — 2020. P. 1-4.

29. Briones L. , Bustamante P. , Serna M. A. Wall-climbing robot for inspection in nuclear power plants // Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation. — 1994. — P. 1409-1414.

30. Синев А. В., Градецкий В. Г., Кравчук Л. Н., Попович В. А., Лебеденко И. В., Кочетов О. С. Транспортное средство для перемещения по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. Патент РФ на изобретение № 2260543, 2003.

31. Alkalla М. G. , Fanni М. А. , Mohamed А. М. A novel propeller-type climbing robot for vessels inspection // 2015 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). - 2015. - P. 1623-1628.

32. Alkalla M. G., Fanni M. A., Mohamed A. M., Hashimoto S. Tele-operated propeller-type climbing robot for inspection of petrochemical vessels // Industrial Robot: An International Journal. — 2017.

33. Liang P., Gao X., Zhang Q., Gao R., Li M., Xu Y., Zhu W. Design and Stability Analysis of a Wall-Climbing Robot Using Propulsive Force of Propeller // Symmetry. - 2021. - Vol. 13, No 1.

34. Mahmood S. , Bakhy S. H., Tawfik M. Novel wall-climbing robot capable of transitioning and perching // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020.

35. Черноусько Ф. Л., Болотник H. Н., Градецкий В. Г. Мобильные роботы: проблемы управления и оптимизации движений // XII всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. — 2014. — С. 67-78.

36. Yanheng L., Byoungduk L., Jeh W. L., Jihyuk P., Taegyun K., Taewon S. Steerable dry-adhesive linkage-type wall-climbing robot // Mechanism and Machine Theory. - 2020. - Vol. 153.

37. Fengyu X., Fanchang M., Quansheng J., Gaoliang P. Grappling claws for a robot to climb rough wall surfaces: Mechanical design, grasping algorithm, and experiments // Robotics and Autonomous Systems. — 2020. — Vol. 128.

38. Chen X., Wu Y., Hao H., Shi H., Huang H. Tracked Wall-Climbing Robot for Calibration of Large Vertical Metal Tanks // Applied Sciences. — 2019. — Vol. 9, No 13.

39. Товарной М. С., Быков Н. В. Математическая модель механизма перемещения мобильного гусеничного робота с магнитно-ленточным принципом вертикального перемещения // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2019. - No 3. - С. 74-84.

40. Gradetsky V. G., Knyazkov М. М., Semenov Е. A., Sukhanov А. N. Design and Control for Vacuum Contact Devices of Mobile Wall Climbing Robot Application in Complex Environment // Smart Electromechanical Systems: Situational Control. - 2020. - C. 143-155.

41. Yong G., Wu W., Xinmei W., Dongliang W., Yanjie L., Qiuda Y. Trajectory tracking of multi-legged robot based on model predictive and sliding mode control // Information Sciences. — 2022. — Vol. 606. — P. 489-511.

42. Нунупаров A. M., Чащухин В. Г. Система управления робота вертикального перемещения с аэродинамическим прижатием // Изв. РАН. Теория и системы управления. — 2020. — Т. 2. — С. 168-176.

43. Chashchukhin V. G. Orientation System of the Aerodynamically Adhesive Wall Climbing Robot // Extreme Robotics. - 2019. - P. 145-148.

44. Чащухин В. Г. Исследование параметров движения робота со скользящим уплотнением // Вестн. Нижегородец ун-та им. Н.И. Лобачевского. — 2011. - Т. 2, No 4. - С. 347-349.

45. Jiang Z. P., Nijmeijer Н. Tracking control of mobile robots: A case study in backstepping // Automatica. - 1997. - Vol. 33, No 7. - P. 1393-1399.

46. Fierro R. , Lewis F. L. Control of a nonholonomic mobile robot: backstepping kinematics into dynamics // Proceedings of 1995 34th IEEE Conference on Decision and Control. Vol. 4. - 1995. - P. 3805-3810.

47. Fukao Т., Nakagawa H., Adachi N. Adaptive tracking control of a nonholonomic mobile robot // IEEE Transactions on Robotics and Automation. — 2000. — Vol. 16, No 5. - P. 609-615.

48. Wang H., Fukao Т., Adachi N. An Adaptive Tracking Control Approach for Nonholonomic Mobile Robot // IFAC Proceedings Volumes. — 1999. — Vol. 32, No 2. - P. 8184-8189.

49. Shen X. , Shi W. Adaptive Trajectory Tracking Control of Wheeled Mobile Robot // 2019 Chinese Control And Decision Conference (CCDC). - 2019. -P. 5161-5165.

50. Hou Z. G., Zou A., Cheng L., Tan M. Adaptive Control of an Electrically Driven Nonholonomic Mobile Robot via Backstepping and Fuzzy Approach // IEEE Transactions on Control Systems Technology. — 2009. — Vol. 17, No 4. - P. 803-815.

51. Wang K., Liu Y., Huang C., Cheng P. Adaptive Backstepping Control with Extended State Observer for Wheeled Mobile Robot // 2020 39th Chinese Control Conference (CCC). - 2020. - P. 1981-1986.

52. Binh N. T., Tung N. A., Nam D. P., Quang N. H. An adaptive backstepping trajectory tracking control of a tractor trailer wheeled mobile robot // International Journal of Control, Automation and Systems. — 2019. — Vol. 17. No 2. - P. 465 473.

53. Daniele F., Riccardo V., Luca G., Andrea C., Antonio B. Adaptive nonlinear control of dynamic mobile robots with parameter uncertainties // IFAC Proceedings Volumes. — 2006. — Vol. 39, No 15. — P. 566-573.

54. Pourboghrat F., Karlsson M. P. Adaptive control of dynamic mobile robots with nonholonomic constraints // Computers and Electrical Engineering. — 2002. - Vol. 28, No 4. - P. 241-253.

55. Mnif F., Touati F. An Adaptive Control Scheme for Nonholonomic Mobile Robot with Parametric Uncertainty // International Journal of Advanced Robotic Systems. - 2005. - Vol. 2, No 1.

56. Wilson D., Robinett I. Robust adaptive backstepping control for a nonholonomic mobile robot // 2001 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. e-Systems and e-Man for Cybernetics in Cyberspace. - 2001. - Vol. 5. - P. 3241-3245.

57. Tarakameh A., Shojaei K., Mohammad Shahri A. Adaptive control of nonholonomic wheeled mobile robot in presence of lateral slip and dynamic uncertainties // 2010 18th Iranian Conference on Electrical Engineering. — 2010. - P. 592-598.

58. d'Andrea-Novel B., Bastin G. , Campion G. Modelling and control of non-holonomic wheeled mobile robots // Proceedings. 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation. — 1991. — Vol. 2. — P. 1130—1135.

59. Lages W. F.. Hemerly E. M. Adaptive Linearizing Control of Mobile Robots // IFAC Proceedings Volumes. - 1998. - Vol. 31, No 31. - P. 23-28.

60. Shojaei K., Shahri A. M., Tarakameh A., Tabibian B. Adaptive trajectory tracking control of a differential drive wheeled mobile robot // Robotica. — 2011. - Vol. 29, No 3. - P. 391-402.

61. Alhaddad M., Joukhadar A., Shaukifeh B. Adaptive LQ-Based Computed-Torque Controller for Robotic Manipulator // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). - 2019. - P. 2169-2173.

62. Shojaei K., Mohammad S. A., Tabibian B. Design and Implementation of an Inverse Dynamics Controller for Uncertain Nonholonomic Robotic Systems // Journal of Intelligent and Robotic Systems. — 2013. — Vol. 71. — P. 65-83.

63. Tien N. M., Minh P. X., Phuoc N. D., Thang P. Q. Tracking control for mobile robots with uncertain parameters based on Model Reference Adaptive Control // 2013 International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS). - 2013. - P. 18^23.

64. Guo H., Lu N. Trajectory Tracking Control of Nonholonomic Mobile Robot based on Model Adaptive Control // ICMLCA 2021; 2nd International Conference on Machine Learning and Computer Application. — 2021. — P. 1-4.

65. Cheah C. C., Liu C., Slotine J. J. E. Adaptive Vision based Tracking Control of Robots with Uncertainty in Depth Information // Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. — 2007. — P. 2817-2822.

66. Dixon W., Dawson D., Zergeroglu E., Behal A. Adaptive tracking control of a wheeled mobile robot via an uncalibrated camera system // Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, IEEE Transactions on. — 2001. — Vol. 31. - P. 341-352.

67. Qiu Y., Li В., Shi W., Zhang X. Visual Servo Tracking of Wheeled Mobile Robots With Unknown Extrinsic Parameters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2019. - Vol. 66, No 11. - P. 8600^8609.

68. Chen Z., Liu Y., He W., Qiao H., Ji H. Adaptive-Neural-Network-Based Trajectory Tracking Control for a Nonholonomic d Wheeled Mobile Robot With Velocity Constraints // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2021. - Vol. 68, No 6. - P. 5057-5067.

69. Гантмахер Ф. P. Теория матриц / M: Физматлит, 2004. — 581 с.

70. Гантмахер Ф. Р. Лекции по аналитической механике / М: Физматлит, 2001. _ 264 с.

71. Ким Д. П. Теория автоматического управления / М: Физматлит, 2003. — 288 с.

72. Цыпкип Я. 3., Бромберг П. В. О степени устойчивости линейных систем // Теория автоматического управления // Изв. АН СССР. Сер. ОТН. — 1945. - No 12. - С. 1163-1168.

73. Slotine, J. J. Е., Weiping L. Applied nonlinear control / Prentice hall. — 1999. _ 459 p.

74. Tzafestas S. G. Introduction to mobile robot control / Elsevier, 2013. — 750 p.

75. Klancar G., Zdesar A., Blazic S., Skrjanc I. Wheeled mobile robotics: from fundamentals towards autonomous systems / Elsevier Science, 2017. — 502 p.

76. Siciliano В., Sciavicco L., Villani L. Robotics modelling, planning and control / Springer, 2009. — 632 p.

77. Lynch К. M., Park F. C. Modern Robotics - Mechanics, Planning, and Control / Cambridge University Press, 2017. — 528 p.

78. Dhaouadi R. , Hatab A. A. Dynamic Modelling of Differential-Drive Mobile Robots using Lagrange and Newton-Euler Methodologies: A Unified Framework // ICRA 2013. - 2013. - Vol. 2, No 2. - P. 1-7.

79. Astrom K. J. , Wittenmark B. Adaptive control / Pearson Education, 2008. — 573 p.

Публикации автора по теме диссертации

1. Алхаддад М. Адаптивное управление движением колесного мобильного робота при наличии неопределенных параметров // Труды 61-й Всероссийской конференции МФТИ. Физтех - школа Аэрокосмических технологий. — 2018. _ с. 27-28.

2. Alhaddad М. , Joukhadar А. , Shaukifeh В. Adaptive Control of a Manipulator with Closed Kinematic Chains and Linear Actuator // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2021. P. 2611-2615.

3. Алхаддад M. Моделирование и управление движением манипулятора с замкнутой кинематической цепью и линейным приводом // Изв. РАН. ТиСУ. _ 2021. - No 3. - С. 162-176.

4. Алхаддад М. Адаптивное управление движением мобильного колесного робота с учетом неидеальности приводов // Изв. РАН. ТиСУ. — 2022. — No 5. _ с. 162-176.

5. Алхаддад М. Управление движением манипулятора в составе мобильного робототехнического комплекса для обслуживания вертикальных поверхностей // Труды 63-й Всероссийской конференции МФТИ. Физтех - школа Аэрокосмических технологий. — 2020. — С. 311—313.

6. Алхаддад М. , Чагцухин В. Г. Управление мобильным робототехническим комплексом для обслуживания вертикальных поверхностей // Изв. РАН. ТиСУ. - 2023. - No 3. - С. 156-176.

7. Алхаддад М. , Чагцухин В. Г. Робототехнический комплекс для обслуживания вертикальных поверхностей // Труды 65-й Всероссийской конференции МФТИ. Физтех - школа Аэрокосмических технологий. — 2023.

Список рисунков

1.1 Примеры прототипов с одним модулем движения ..................12

1.2 Примеры прототипов с двумя модулами движения..................13

1.3 Робот вертикального перемещения: а) реализацие б) конструктура 18

1.4 Схема робототехнического комплекса................................20

2.1 Схема манипуляциюнного механизма с системами координат ... 26

2.2 Положение выходного звена как функция времени при управлении ПИД-регулятором........................................35

2.3 Управляющая сила, генерируемая приводом, как функция времени при управлении ПИД-регулятором..........................36

3.1 Схема колесного мобильного робота со системами координатами . 40

3.2 Моделированное траекторие робота в случае круговой траектории 54

3.3 Зависимости от времени рассогласования сигналов е\, е2 и е3 ... 55

3.4 Зависимости от времени рассогласования сигналов £1 и (2 .... 56

3.5 Зависимости от времени оцениваемых параметров а1 и а2..........56

3.6 Зависимости от времени оцениваемых параметров ^ и р2..........57

3.7 Зависимости от времени оцениваемых параметров р3 и р4..........57

3.8 Зависимости от времени оцениваемых параметров е1 и ё2..........58

3.9 Моделированное траекторие робота в случае прямой траектории . 58

3.10 Зависимости от времени управляющих сигналов щи и2............59

4.1 Прототип транспортно-манипуляционного устройства..............61

4.2 Блок-схема алгоритма управления манипулятором..................63

4.3 Положение выходного звена манипулятора как функция

времени без нагрузки ..................................................64

4.4 Положение выходного звена манипулятора как функция

времени с нагрузкой....................................................64

4.5 Схема колесного мобильного робота..................................66

4.6 Блок-схема алгоритма управления колеснным роботом на

первом этапе ............................................................67

4.7 Блок-схема алгоритма управления колеснным роботом на

втором этапе ............................................................68

4.8 Пример работы датчиков расстояния ................................69

4.9 Датчики расстояния на роботе........................................70

4.10 Угол ориентации робота относительно стены........................71

4.11 Зависимость угловых скоростей колес от времени (колеса не касаются поверхности перемещения)..................................71

4.12 Реальная траектория робота в случае движения по окружности . 73

4.13 Зависимость реальной координаты х транспортной платформы

от времени в сравнении с координатой хл заданной траектории . 74

4.14 Зависимость реальной координаты у транспортной платформы

от времени в сравнении с координатой у^ заданной траектории . . 74

4.15 Зависимости от времени рассогласования сигналов е1, е2 ..........75

4.16 Зависимость от времени рассогласования сигнала е3................75

4.17 Зависимости от времени рассогласования сигналов , (2 ..........76

4.18 Оцениваемый параметр а1..............................................76

4.19 Оцениваемый параметр а2..............................................77

4.20 Оцениваемый параметр а..............................................77

4.21 Оцениваемый параметр р2..............................................78

4.22 Оцениваемый параметр р3..............................................78

4.23 Оцениваемый параметр а..............................................79

4.24 Оцениваемый параметр ^..............................................79

4.25 Оцениваемый параметр ё2..............................................80

4.26 Зависимости от времени скоростей вращения ................80

4.27 Зависимости от времени сигналов напряжения и1 )и2................81

4.28 Последовательность движений на первом этапе......................81

4.29 Последовательность движений на втором этапе......................82

4.30 Последовательность движений на третьем этапе....................82

Список таблиц

1 Коэффициенты ПИД-регулятора................... 34