Управление робототехнической системой в составе манипуляционного робота и захватного устройства при выполнении автоматического захвата и переноса объекта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат наук Бажинова Ксения Владимировна

• Бажинова Ксения Владимировна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Бажинова Ксения Владимировна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Робототехнические системы, состоящие из манипуляционных роботов и захватных устройств в задачах захвата и манипулирования объектами

1.1. Обзор существующих автоматических робототехнических систем с захватными устройствами для задач захвата и манипулирования объектами

1.2. Основные принципы построения существующих автоматических робототехнических систем с захватными устройствами для задач захвата и манипулирования объектами

1.2.1. Состав робототехнических систем для задач

захвата и манипулирования объектами

1.2.2. Структура и методы функционирования системы управления робототехническими системами вида «рука + кисть»

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Математическое описание робототехнической системы вида

«рука + кисть» при выполнении операции захвата и манипулирования

2.1. Основные соотношения теории захвата

2.1.1. Матрица захвата системы «рука + кисть + объект»

2.1.2. Матрица Якоби системы «рука + кисть + объект»

2.2.Желаемые свойства захвата

2.3. Обеспечение желаемых свойств захвата робототехнической системой «рука + кисть»

2.4. Критерии качества захвата робототехнической

системой «рука + кисть»

Стр.

2.4.1. Наименьшее сингулярное значение матрицы Якоби

системы «рука + кисть + объект»

2.4.2.Объем эллипсоида возможного манипулирования объектом

2.4.3. Однородность преобразования пространства обобщенных скоростей в пространство скоростей объекта

2.4.4. Показатель совместности нагрузки

2.4.5. Наименьшее сингулярное значение матрицы захвата

2.4.6. Объем эллипсоида возможных контактных воздействий

2.4.7.Размер фигуры захвата

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Планирование операции захвата и управление робототехнической системой «рука + кисть» при выполнении захвата и манипулировании объектом

3.1. Моделирование системы «рука + кисть + объект» при

выполнении захвата

3.2. Методы планирования согласованного движения звеньев робототехнической системы «рука + кисть»

3.3. Планирование захвата объекта робототехнической

системой «рука + кисть»

3.4. Планирование траектории движения робототехнической

системы «рука + кисть»

3.4.1. Определение положения кисти

3.4.2. Определение положения звеньев в пространстве

обобщенных координат

3.4.3. Фильтрация траекторий в пространстве обобщенных координат

3.5. Управление робототехнической системой «рука + кисть» с асимптотическим отслеживанием выполнения желаемой траектории в пространстве обобщенных координат

Стр.

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования управления робототехнической

системой «рука + кисть» при выполнении операции захвата и

манипулирования объектом

4.1. Программная модель робототехнической системы и объектов манипулирования

4.2. Результаты моделирования захвата объекта робототехнической системой «рука + кисть»

4.3. Результаты натурного эксперимента по захвату и манипулированию объектом робототехнической системой «рука + кисть»

Выводы по четвертой главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

JT-RRT

PbD

ROS

RRT

VFC

СК

СМД

СТЗ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Jacobian Transpose-directed Rapidly-exploring Random Trees

Programming by Demonstration

Robot Operating System

Rapidly-explored Random Trees

Velocity Field Control

система координат

силомоментный датчик

система технического зрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление робототехнической системой в составе манипуляционного робота и захватного устройства при выполнении автоматического захвата и переноса объекта»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при выполнении работ в опасных и труднодоступных для человека условиях используются, преимущественно, дистанционно управляемые манипуляционные роботы на колесных и гусеничных мобильных базах. Однако при потере связи, ухудшении видимости и в других ситуациях использовать дистанционное управление становится невозможным из-за высоких рисков повреждения или потери объекта манипулирования и дорогостоящего оборудования.

При отсутствии возможности использовать дистанционное управление применяются системы автоматического управления робототехническими системами, которые для выполнения операций по захвату и манипулированию операций используют средства автоматизированного планирования траекторий перемещения звеньев захватного устройства и исполнительного механизма манипулятора.

Современная интеллектуальная роботизированная система должна быть способна понимать задачи, стоящие перед ней при выполнении различных операций, воспринимать изменения в окружающей обстановке, находить жизнеспособные решения и осуществлять их. Решение многих задач требуют от манипуляционных систем захвата объектов и ловкого манипулирования ими. Это необходимое условие требует, чтобы интеллектуальная система управления обладала способностью анализировать все типы захватов, выбирать подходящий способ захватить объект и планировать движение звеньев исполнительного механизма робототехнической системы для его выполнения.

Способность робототехнической системы выполнить захват объекта не должна зависеть от уменьшения сил трения, вызванных неизбежными изменениями внешней среды, то есть захват, выполняемый робототехнической системой, должен быть надежным.

Захваты объектов принято разделять на захваты, выполняемые кончиками пальцев захватного устройства - кисти манипулятора, и на обхватывающие, или

силовые, захваты, в зависимости от того, как распределяются контакты между поверхностью объекта и поверхностями звеньев манипуляционной системы. Первый тип захватов активно освещался в литературе на протяжении долгого времени. На исследованиях, посвященных этому типу захватов, была выстроена теория захвата, разработаны модели контакта. Захват объектов кончиками пальцев наиболее эффективен, когда существует возможность обеспечить высокий коэффициент трения между поверхностями пальцев и объекта. Кроме того, такой захват позволяет проводить широкий диапазон операций с захватываемыми объектами, чему немало способствовало развитие антропоморфных захватных устройств. Однако захват кончиками пальцев, в общем случае, не является надежным, если нельзя обеспечить количество контактов с объектом, большее или равное трем.

Обхватывающие, или силовые, захваты - такие захваты, при которых звенья манипуляционной системы частично или полностью окружают поверхность объекта или выступа на нем, что позволяет выполнять надежный захват объекта при низком коэффициенте трения между поверхностями пальцев и объекта. Силовые захваты, выполняемые кистью манипулятора, были освещены в нескольких работах, отличительной особенностью которых является исследование кинематики и динамики захвата объектов многозвенными пальцами кистей.

В настоящее время широкое распространение в мире получили двупалые захватные устройства с количеством фаланг, не превышающим двух. Таким образом, разработанная для силового захвата теория имела слабое применение на практике, так как степеней подвижности большинства захватных устройств недостаточно для выполнения такого типа захвата. При этом использование степеней подвижности руки манипуляционной системы позволило бы осуществлять захват объектов и манипулирование ими даже при наличии недостаточного количества степеней подвижности у кисти и при малом коэффициенте трения между поверхностями звеньев и объекта. Кроме того, использование звеньев руки для захвата позволяет манипулировать объектами

значительно большего диапазона размеров, чем могла бы захватить только кисть, а распределение точек контакта при таком захвате позволяет увеличить грузоподъемность всей манипуляционной системы «рука + кисть». Возможности, предоставляемые таким подходом к захвату объекта, могут использоваться во многих сферах, включая проведение подводных и космических исследований.

Однако силовые захваты, выполняемые манипуляционной системой «рука + кисть», еще не были широко освещены в литературе. Существующие на данный момент подходы к планированию способа захвата объекта учитывают только свойства системы, включающей кисть и объект манипулирования, иными словами, свойства системы «кисть + объект». При планировании движения манипулятора в момент подхода к объекту, а также движения с объектом после его захвата, напротив, рассчитывается только траектория движения манипулятора - руки, а положение пальцев считается неизменным. Таким образом, планирование согласованного движения всей манипуляционной системы «рука + кисть» как единой системы для обеспечения надежного удержания объекта во время выполнения захвата, не рассматривалось. Кроме того, при планировании способа захвата не производился учет свойств руки, иными словами, свойства системы «рука + кисть + объект». Таким образом, актуальность задачи разработки методов автоматического управления манипуляционной системой, включающей как захватное устройство (кисть), так и манипулятор (руку), при захвате и манипулировании объектами не вызывает сомнений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках мероприятия 1.3 федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение от 26 сентября 2017 года № 14.577.21.0247, уникальный идентификатор работ КРМЕЕ157717Х0247).

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов управления движением робототехнической системой в составе

манипуляционного робота и захватного устройства при автоматическом выполнении операции захвата и переноса объекта.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Предложить методы автоматического планирования захвата объектов по данным системы технического зрения о положении объекта с учетом наличия манипулятора, описания свойств такого захвата, оценки его качества как системы «рука + кисть + объект», то есть включающей руку - манипулятор, кисть -захватное устройство и объект манипулирования.

2. Предложить способ планирования и реализации траектории движения робототехнической системой в составе манипуляционного робота и захватного устройства при автоматическом выполнении операции захвата и переноса объекта, с учетом возникновения необходимости изменения пространственного положения элементов манипуляционной системы «рука + кисть» для осуществления силового захвата.

3. Разработать математическую модель системы «рука + кисть + объект» при захвате и переносе объекта манипулирования и выполнить на её основе аналитические исследования процессов захвата и переноса.

4. Разработать программное обеспечение, обеспечивающее управление одновременным движением манипуляционного робота и захватного устройства при автоматическом выполнении захвата и переноса объекта.

5. Провести математическое и компьютерное моделирование системы, включающей манипуляционный робот, захватное устройство и объект.

6. Провести математическое исследование качества захвата применительно к объектам, обладающих разной формой, массой, коэффициентом трения.

7. Разработать натурный стенд для исследования операций автоматического захвата и переноса объекта.

8. Провести экспериментальные исследования автоматического движения движением робототехнической системы в составе манипуляционного робота и

захватного устройства при выполнении операции захвата и переноса объектов, обладающих разной формой, массой, коэффициентом трения.

9. Выработать практические рекомендации реализации автоматических операций захвата и переноса объектов различной формы и массы.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан новый метод планирования автоматического захвата объектов для манипуляционной системы вида «рука + кисть».

2. Предложен способ оценки качества захвата для манипуляционной системы вида «рука + кисть».

3. Разработан новый метод планирования и управления движением манипулятора и захватного устройства при автоматическом выполнении захвата и переноса объекта с учетом выполнения силового захвата.

Практическая ценность. Разработан пакет программ для персонального компьютера, реализующий методы планирования и управления движением манипуляционного робота и захватного устройства, для работы в автоматическом режиме. Предложенные методы планирования и управления позволяют решать задачи автоматического захвата объекта и манипулирования с учетом возможности изменения пространственного положения объекта согласованными движениями всех шарниров манипуляционного робота и захватного устройства. Разработанный метод управления позволяет обеспечить захват объекта на всем протяжении выполнения манипуляционной операции без дополнительного вмешательства человека-оператора в процесс управления. Методами математического, компьютерного моделирования и в натурных экспериментах с объектами различной формы, массы и коэффициентом трения доказано превосходство разработанного способа планирования и управления по отношению к известным подходам.

Достоверность результатов. Моделирование работы разработанной системы управления и экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, базой которого является функционально-

моделирующий стенд, разработанный в Дмитровском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана. Достоверность результатов моделирования подтверждена сравнением результатов компьютерного моделирования с результатами, полученными в ходе выполнения натурных экспериментов. Экспериментальные исследования подтвердили, что разработанная система управления работоспособна, а ее точность позволяет выполнять манипулирование объектами.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Метод планирования автоматического захвата объектов робототехнической системой, состоящей из манипуляционного робота и захватного устройства, как робототехнической системой «рука+кисть», включающий использование информации системы технического зрения о положении объекта, компьютерное моделирование процесса захвата и переноса объекта и оценку качества захвата, и отличающийся возможностью выполнения «силового» захвата с использованием звеньев манипуляционного робота.

2. Математическая модель захвата объекта системой «рука+кисть» в фазах планирования и выполнения захвата.

3. Способ оценки качества захвата робототехнической системой вида «рука+кисть».

4. Алгоритмы функционирования системы управления движением руки манипуляционного робота и захватного устройства, обеспечивающие их согласованное автоматическое движение при выполнении захвата и манипулировании объектом, с возможностью осуществления силового захвата.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и научных семинарах: УШ Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2015), XI Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, 2015), IX Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2016), Международная научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника», (Санкт-Петербург, 2016), XLI

Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти С.П. Королёва (Москва, 2017), X Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2017).

Публикации. Результаты диссертационной работы нашли отражение в 10 работах, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований, анализ проблем и задач в области автоматического управления манипуляционными системами при захвате и манипулировании объектами. Представлен обзор существующих автоматических манипуляционных систем с захватными устройствами. Описаны основные принципы построения существующих манипуляционных систем с многопальцевыми захватными устройствами. Особое внимание уделено структуре и алгоритмам функционирования систем управления манипуляционными системами типа «рука + кисть», в частности, методам функционирования системы планирования захвата и планирования траектории движения звеньев манипуляционной системы для выполнения захвата.

Во второй главе представлено описание основных соотношений теории захвата и желаемых свойств захвата. Рассматриваются понятия матрицы захвата и матрицы Якоби, сравниваются понятия матриц захвата и матриц Якоби для систем, включающих в себя только кисть и объект, и систем типа «рука + кисть + объект». На основе этого сравнения соотношений выводятся условия обеспечения желаемых свойств захвата в системе «рука + кисть + объект».

В третьей главе представлен подход к выполнению захвата и манипулирования объектами с использованием манипуляционных систем «рука + кисть». Рассматривается алгоритм планирования движения звеньев манипуляционной системы «рука + кисть» при выполнении захвата и манипулирования объектом. Представлен контроллер, который обеспечивает

асимптотическое отслеживание траектории движения в пространстве обобщенных координат сочленений при наличии неопределенностей в системе «рука + кисть + объект».

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований управления манипуляционной системой «рука + кисть» при выполнении операции захвата и манипулирования объектом. Приведены результаты моделирования и выполнения с использованием разработанных методов операции захвата и манипулирования крупногабаритным объектом. На основе анализа полученных результатов экспериментальных исследований делается вывод об обоснованности предложенного подхода и работоспособности разработанных методов.

ГЛАВА 1. Робототехнические системы, состоящие из манипуляционных роботов и захватных устройств в задачах захвата и манипулирования

объектами

В данной главе представлен обзор современного состояния исследований, анализ проблем и задач в области автоматического управления манипуляционными системами при захвате и манипулировании объектами. Представлен обзор существующих автоматических манипуляционных систем с захватными устройствами. Описаны основные принципы построения существующих манипуляционных систем с многопальцевыми захватными устройствами. Особое внимание уделено структуре и алгоритмам функционирования систем управления манипуляционными системами типа «рука + кисть», в частности, методам функционирования системы планирования захвата и планирования траектории движения звеньев манипуляционной системы для выполнения захвата.

1.1. Обзор существующих автоматических робототехнических систем с захватными устройствами для задач захвата и манипулирования объектами

Одной из ранних разработок в области автоматического захвата является МН-1 [1] (Рис. 1.1), робототехническая система, созданная в 1960 г. в Массачусетском технологическом институте, включающая двупалую кисть на манипуляторе. Пальцы кисти оснащены бинарными тактильными датчиками. Управление роботом происходило от ТХ-0, одного из первых компьютеров, полностью созданных на транзисторной базе.

Задачей, которая была поставлена перед разработчиками МН-1, являлось экспериментальное исследование непосредственной связи между цифровым компьютером и физическим миром, без использования в контуре управления человека в качестве интерпретатора.

Рис. 1.1. Манипуляционная система MH-1

Система управления MH-1 получала от оператора команды на выполнение операций с объектами, обеспечивала обработку информации от датчиков и принятие на их основе решения о захвате. Функциональные возможности MH-1 ограничивались ее механической реализацией и управляющим компьютером.

С развитием вычислительной техники возрос интерес к автоматическим манипуляционным системам. Стали появляться роботизированные кисти, нередко оснащенные несколькими многозвенными пальцами. Часть подобных разработок [2, 3] были выполнены для задач протезирования. Кроме того, велись разработки захватных устройств с упругими пальцами [4, 5, 6, 7]. Наряду с ними появился отдельный класс устройств, созданных специально для использования при выполнении силового захвата[8, 9]. Под термином силовой захват подразумевается такой тип захвата, при котором используются не только концы пальцев кисти, но и ее внутренние фаланги. Эти устройства отличаются кинематической избыточностью, позволяющей им охватывать объект манипулирования. Выполнение подобного захвата роботом ACM (Active Cord Mechanism) представлено на Рис. 1.2.

Рис. 1.2. Робот ACM выполняет силовой захват объекта на плоскости

Одной из разработок в области антропоморфных манипуляционных систем является роботизированная рука Okada [7] (Рис. 1.3), созданная в 1982 г. для изучения свойств захвата объектов. Okada содержит 11 степеней подвижности и способна выполнять как ловкий захват пальцами, так и силовой захват с использованием ладони, однако успех разработок в части ловкого манипулирования привел к тому, что силовой захват на тот момент не получил широкого распространения.

Рис. 1.3. Роботизированная кисть Okada

Более поздние манипуляционные системы, представляющие собой антропоморфные захватные устройства, оснащались многочисленными датчиками, которые позволили осуществлять точное управление кистью с очень высокой чувствительностью пальцев. Однако антропоморфные кисти предполагают сложные многомерные алгоритмы управления. Кроме того, они, как правило, дорогостоящи и хрупкие в использовании. Такое сочетание практических недостатков может иметь негативные последствия в краткосрочной и среднесрочной перспективе: оно поднимает барьер входа для проведения исследований в области автономных антропоморфных кистей, ограничивает распространение результатов исследований, что не позволяет технологии стать серийной. По этим причинам более широко начали распространяться захватные устройства с более простой кинематической цепью, требующие меньше усилий в проектировании, изготовлении и создании алгоритмов управления. Не менее важно, что они дешевы в изготовлении, что позволяет широко использовать их на практике и при исследованиях.

Дальнейшее развитие автоматический захват получил с появлением многоруких манипуляционных систем, таких как NASA Robonaut [10], Willow Garage PR2 [11], Cody [12], KIT Armar-III [13] и другие. Многие их подобных манипуляционных систем были созданы исключительно с исследовательскими целями, для исследования подходов к планированию операций, изучению систем, обучающихся по демонстрации. В то же время многие разработки проводились для нужд космической робототехники и промышленности [14, 15, 16, 17], реализуя концепцию многозадачного робота, которого впоследствии можно научить определенным действиям.

Несмотря на прогресс, достигнутый в области автоматических манипуляционных систем, задача реализации надежных, ловких и интеллектуализированных систем еще не достигнута. Причинами этого стали сложность сенсорного очувствления всей манипуляционной системы, необходимость искать компромисс между компактностью приводов и мощностью, сложность универсального представления в системе управления всех

желаемых операций, необходимость специального математического представления каждой конкретной задачи для получения оптимального качества и производительности.

1.2. Основные принципы построения существующих автоматических робототехнических систем с захватными устройствами для задач захвата и манипулирования объектами

Манипуляционные системы с многопальцевыми захватными устройствами, работающие в автоматическом режиме, редко применяются в ситуациях, когда манипулятор работает в статических условиях, то есть выполняемые операции и окружающая обстановка редко меняются. В этом случае ряд операций может быть заранее полностью запрограммирован и выполнен с высокой точностью, если заведомо известно, что во время операции нет возмущений.

Роботизированные руки и их кисти часто взаимодействуют с динамической средой, в которой траектория движения руки зависит от координат цели. В этом случае необходима разработка и реализация алгоритмов функционирования системы управления, которые, используя показания датчиков, смогут в реальном времени рассчитать более адаптивные законы управления.

1.2.1. Состав робототехнических систем для задач захвата и манипулирования объектами

Существующие в настоящее время манипуляционные системы, предназначенные для автоматического захвата и манипулирования объектами с использованием захватных устройств (кистей) представляют из себя робототехнические комплексы, в состав которых входят непосредственно манипуляторы (руки), кисти, система очувствления, персональный компьютер либо несколько объединенных по сети компьютеров с размещенными на них программными компонентами системы управления и средствами человеко-

машинного интерфейса. В зависимости от состава манипуляционной системы определяются компоненты системы управления.

В общем случае, исполнительные механизмы рук выполняют транспортировку кисти. Компоненты исполнительной системы отрабатывают команды, сформированные системой управления.

Сенсорные системы предназначены для получения и дальнейшей обработки информации о свойствах окружающей обстановки и ходе выполнения операции, что необходимо для манипулирования объектами в автоматическом режиме. Сенсорные системы могут включать в себя датчики положений сочленений исполнительных механизмов рук и кистей, силомоментные датчики, тактильные датчики, датчики системы технического зрения. Компоненты сенсорных систем определяют объем информации, которую может использовать система управления на всех уровнях. Сигналы, получаемые от сенсорных систем, обеспечивают формирование сигналов управления для рук и кистей, позволяют оператору подавать системе управления команды путем взаимодействия со средствами человеко-машинного интерфейса.

Программные компоненты системы управления для выполнения автоматического захвата содержат, в общем случае, программные модули получения, интерпретации и обработки информации от сенсорных систем, программные драйверы исполнительных устройств, программные модули подсистем планирования захвата, планирования траектории движения рук и кистей, а также другие элементы, позволяющие определить положение объекта манипулирования на основе информации от системы технического зрения (СТЗ) или других сенсорных систем.

1.2.2. Структура и методы функционирования системы управления робототехническими системами вида «рука + кисть»

В общем случае, разработка схемы управления требует математического представления динамики и/или кинематики руки и кисти. Если математическая

модель манипуляционной системы доступна, конечная цель управления состоит в том, чтобы определить последовательность управляющих сигналов, которые переместят манипуляционную систему по траектории от начальной точки до конечной точки.

Определение точек, в которые должны быть переведены исполнительные устройства манипуляционной системы в зависимости от поставленной задачи и состава окружающей среды, является задачей системы планирования верхнего уровня (системы принятия решений). Например, при захвате объекта манипулирования определяются его координаты, координаты захватного устройства и его пальцев при захвате, для чего применяются методы планирования захвата, приведенные далее в разделе 1.2.2.1.

Полагаем, что пространственное положение и ориентация объекта относительно манипуляционной системы известно, например, по информации от системы технического зрения [18]. Тогда можно автоматически определить захватное и предзахватное положение исполнительного механизма руки и кисти [19] и спланировать безопасную траекторию подхода к объекту манипулирования.

После того, как в результате работы подсистемы планирования верхнего уровня рассчитаны точки траектории, подсистема планирования среднего уровня формирует законы движения манипуляционного робота между ними.

Движение непосредственно каждого из шарниров манипулятора необходимо спланировать в соответствии с заданным законом движения в декартовом пространстве. Для этих целей используется подсистема планирования низкого уровня. Ее задачами являются расчет обобщенных координат шарниров по декартовым координатам рабочего органа манипулятора, то есть решение обратной кинематической задачи, проверка на приближение к сингулярным положениям исполнительного механизма и коррекция траектории в случае приближения, определение индексов кинематической конфигурации исполнительного механизма для обеспечения необходимого пространственного положения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бажинова Ксения Владимировна, 2018 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Sheridan T. B. Human-robot interaction: status and challenges // Human factors.

2016. Vol. 58, № 4. P. 525-532.

2. Cipriani C., Controzzi M., Carrozza M. C. The SmartHand transradial prosthesis // Journal of neuroengineering and rehabilitation. 2011. Vol. 8, № 1. 29 p.

3. Bhatti S. Design of a multiple finger prosthetic hand with a passive adaptive grasp system: Electrical and biomedical engineering project report. McMaster University, Ontario, Canada, 2010. 56 p.

4. The Utah/MIT dexterous hand / S.C. Jacobsen [et al.] // IEEE Control Systems Magazine. 2013 Vol. 33, № 1. 13 p.

5. Venkataraman S.T., Iberall T. Dextrous robot hands. Springer, 2012. 345 p.

6. Jau B.M. Dexterous telemanipulation with four fingered hand system // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-1995). Aichi, Japan. 1995. P. 338-343.

7. Murray R.M. A mathematical introduction to robotic manipulation. CRC press,

2017. 480 p.

8. Unshackling evolution: evolving soft robots with multiple materials and a powerful generative encoding / N. Cheney [et al.] // In Proc. 15th Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation (GECCO-2013). Amsterdam, Netherlands. 2013. P. 167-174.

9. Moubarak P.M., Ben-Tzvi P., Ma Z. A generic configuration of a compact dexterous and self-contained end-effector for mobile robotic platforms // IEEE International Workshop on Robotic and Sensors Environments (ROSE). Phoenix, Arizona, USA. 2010. 6 p.

10. Guizzo E. How Robonaut 2 will help astronauts in space // IEEE Spectrum. 2011. URL: https: //spectrum. ieee. org/automaton/robotics/humanoids/how-robonaut-2-will-help-astronauts-in-space (дата обращения 04.03.2018).

11. Cousins S. ROS on the PR2 // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2010. Vol. 17, № 3. P. 23-25.

12. Chen T., Kemp C.A direct physical interface for navigation and positioning of a robotic nursing assistant // Advanced Robotics. 2011. Vol. 25, No. 5. P. 605-627.

13. Asfour T. ARMAR-III: Advances in humanoid grasping and manipulation // Journal of the Robotics Society of Japan. 2013. Vol. 31, № 4. P. 341-346.

14. Ciocarlie M.T., Allen P.K. Hand posture subspaces for dexterous robotic grasping // The International Journal of Robotics Research. 2009. Vol. 28, № 7. P. 851-867.

15. Nebylov A. Automatic Control in Aerospace, vol. 2. Spb.: Elsevier, 2005. 600 p.

16. Козырев Ю.Г. Применение промышленных роботов. М.: Издательство «Проспект», 2013. 358 с.

17. Козырев Ю.Г. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов. М.: Издательство «Проспект», 2013. 313 с.

18. Лесков А.Г., Морошкин С.Д. Система технического зрения для определения расположения объектов // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». Санкт-Петербург. 2016. С. 287-291.

19. Аппаратно-программный комплекс для решения задач автоматического захвата объекта манипуляторами / А.Г. Лесков [и др.] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2015. Вып. 1. 14 c.

20. Sahbani A., El-Khoury S., Bidaud P. An overview of 3D object grasp synthesis algorithms // Robotics and Autonomous Systems. 2012. Vol. 60, № 3. P. 326336.

21. Bone G.M., Lambert A., Edwards M. Automated modeling and robotic grasping of unknown threedimensional objects // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2008). Pasadena, USA. 2008. P. 292-298.

22. Manipulation planning with workspace goal regions / D. Berenson [et al.] // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2009). Kobe, Japan. 2009. P. 618-624.

23. Ijspeert A.J., Nakanishi J., Schaal S. Movement imitation with nonlinear dynamical systems in humanoid robots // In Proc. IEEE International Conference

on Robotics and Automation (ICRA-2002). Washington, DC, USA. 2002. Vol. 2. P. 1398-1403.

24. Hamajima K., Kakikura M. Planning strategy for task of unfolding Clothes // Robotics and Autonomous Systems. 2000. Vol. 32. P. 145-152.

25. Мамедов Т. А. Управление системы «кисть-рука» по вектору скоростей // Молодежный научно-технический вестник. Электронный журнал. 2015. №10. 7 с.

26. Bruyninckx H., Demey S., Kumar V. Generalized stability of compliant grasps // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-1998). Leuven, Belgium. 1998. Vol. 3. P. 2396-2402.

27. Rodriguez A., Mason M.T., Ferry S. From caging to grasping // The International Journal of Robotics Research. 2012. Vol. 31, № 7. P. 886-900.

28. Visually-guided correction of hand reaching movements: The neurophysiological bases in the cerebral cortex / P.S. Archambault [et al.] // Vision Research. 2015. Vol. 110, Part B. P. 244-256.

29. Hesse C., Franz V.H. Corrective processes in grasping after perturbations of object size // Journal of Motor Behavior. 2009. Vol. 41, № 3. P. 253-273.

30. Data-Driven Grasp Synthesis - A Survey / J. Bohg [et al.] // IEEE Transactions on Robotics. 2014. Vol. 30, № 2. P. 289-309.

31. Sahbani A., El-Khoury S., Bidaud P. An overview of 3D object grasp synthesis algorithms //Robotics and Autonomous Systems. 2012. Vol. 60, № 3. P. 326-336.

32. Jameson J. Analytic Techniques for Automated Grasp: Ph.D. thesis. Stanford. 1985. 182 p.

33. Levenberg K. A Method for the Solution of Certain Problems in Last Squares // Quart. Appl. Math. 1944. Vol. 2. P. 164-168.

34. Bergou E., Gratton S., Vicente L.N. Levenberg-Marquardt Methods Based on Probabilistic Gradient Models and Inexact Subproblem Solution, with Application to Data Assimilation // SIAM/ASA Journal on Uncertainty Quantification. 2016. Vol. 4, No. 1. P. 924-951.

34. Демиденко Е.З. Оптимизация и регрессия. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.,

1989. 297 c.

35. Combettes P.L., Pesquet J.-C. Proximal splitting methods in signal processing // Fixed-Point Algorithms for Inverse Problems in Science and Engineering / ed. by H.H. Bauschke. New York: Springer, 2011. P. 185-212

37. Mascarenhas W.F. The divergence of the BFGS and Gauss Newton Methods // Mathematical Programming. 2014. Vol. 147, № 1-2. P. 253-276.

38. Simulation of robot dynamics for grasping and manipulation tasks / B. Leon [et al.] // In Proc. 12th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). Osaka, Japan. 2012. P. 291-296.

39. Opengrasp: a toolkit for robot grasping simulation / B. Leon [et al.] // In Proc. 5th International Conference on cognitive systems (CogSys). Vienna. 2012. 1 p.

40. Rubert C., León B., Morales A. Grasp quality metrics for robot hands benchmarking // In Proc 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). Madrid, Spain. 2014. P. 761-766.

41. Park Y.C., Starr G.P. Grasp synthesis of polygonal objects using a three-fingered robot hand // International Journal of Robotics Research. 1992. Vol. 11, № 3. P. 163-184.

42. Mirtich, J. Canny. Easily computable optimum grasps in 2-d and 3-d // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-1994). San Diego, USA. 1994. P. 739-747.

43. Song S.K., Park J.B., Choi Y.H. Dual-Fingered Stable Grasping Control for an Optimal Force Angle // IEEE Transactions on Robotics. 2012. Vol. 28, № 1. P. 256 - 262.

44. Cutkosky M.R. Robotic Grasping and Fine Manipulation. Springer, 2012. 192 p.

45. Ciocarlie M., Allen P. Data-driven optimization for underactuated robotic hands // In Proc. 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2010). Anchorage, USA. 2010. P. 1292 - 1299.

46. Bullock I.M., Dollar A.M. A two-fingered underactuated anthropomorphic manipulator based on human precision manipulation motions // In Proc. IEEE

International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2016). Stockholm, Sweden. 2016. P. 384 - 391.

47. Allen T.F., Burdick J.W., Rimon E. Two-Finger Caging of Polygonal Objects Using Contact Space Search // IEEE Transactions on Robotics. 2015. Vol. 31, № 5. P. 1164 - 1179.

48. Pipattanasomporn P., Sudsang A. Two-Finger Caging of Nonconvex Polytopes // IEEE Transactions on Robotics. 2011. Vol. 27, № 2. P. 324 - 333.

49. Shimada A., SonodaK., Satoh Y. Sensor-less grasping control on two-fingered robot hands // In Proc. ICCAS-SICE. Fukuoka, Japan. 2009. P. 40-45.

50. On the Synthesis of Feasible and Prehensile Robotic Grasps / C. Rosales [et al.] // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2012). St. Paul, USA. 2012. P. 1-7.

51. Roa M., Suarez R. Computation of independent contact regions for grasping 3-d objects // IEEE Transactions on Robotics. 2009. Vol. 25, No. 4. P. 839-850.

52. Pitarch E.P. Virtual Human Hand: Grasping Strategy and Simulation: Academic Dissertation for the Degree of PhD. Catalunya, Spain. 2007. 144 p.

53. Diankov R, Kuffner J. Openrave: A planning architecture for autonomous robotics: Tech. Rep. Robotics Institute, CMURI-TR-08-34. Pittsburgh, USA, 2008. 18 p.

54. Salisbury K. Whole Arm Manipulation // In Proc. 4th International Symposium Robotics Research. Massachusetts, USA. 1987. P. 183-189.

55. Development of the UB Hand IV: Overview of Design Solutions and Enabling Technologies / C. Melchiorri [et al.] // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2013. Vol. 20, № 3. P. 72 - 81.

56. Compliance computation for continuum types of robots / G. Smoljkic [et al.] // In Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Chicago, USA. 2014. P. 1066-1073.

57. A new "grasping by caging" solution by using eigen-shapes and space mapping / W. Wan [et al.] // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2013). Karlsruhe, Germany. 2013. P. 1566-1573.

58. Sheridan M.J., Ahalt S.C., Orin D.E. Fuzzy Control for Robotic Power Grasp // Robotics Society of Japan. Advanced Robotics. 1995. Vol. 9, No. 5. P. 535-546.

59. Reyes F., Ma S. On planar grasping with snake robots: Form-closure with enveloping grasps // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2014). Bali, Indonesia. 2014. P. 556 - 561.

60. Bicchi A. On the problem of decomposing grasp and manipulation forces in multiple whole-limb manipulation // The International Journal of Robotics and Autonomous Systems. 1994. Vol. 13. P. 127-147.

61. Platt R., Fagg A.H., Grupen R.A. Extending Fingertip Grasping to Whole Body Grasping // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Taipei, Taiwan. 2003. P. 2677- 2682.

62. Chirikjian G. Burdick J.W. Design and Experiments with a 30 DOF Robot // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Atlanta, USA. 1993. P. 113-119.

63. Bio-manipulation with a robotic straw / H. Mochiyama [et al.] // In Proc. International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science. Nagoya, Japan. 2010. P. 290 - 295.

64. Tamura K., Asano F. Whole arm manipulation with effects of static and dynamic friction on body surface // In Proc. 11th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). Kuala Lumpur, Malaysia. 2014. P. 273-278.

65. Learning and Reproduction of Gestures by Imitation / S. Calinon [et al.] // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2010. Vol. 17, № 2. P. 44-54.

66. Gribovskaya E., Billard A. Learning nonlinear multivariate motion dynamics for real-time position and orientation control of robotic manipulators // In Proc. IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots. Paris, France. 2009. P. 472-477.

67. Halbert D.C. Programming by Example: Thesis Ph.D. in Computer Science. Berkeley. 1984. 81 p.

68. Diankov R. Automated Construction of Robotics Manipulation Programs: PhD Thesis. Pittsburgh. 2010. 263 p.

69. Siciliano B. Algoritmi di Soluzione al Problema Cinematico Inverso per Robot di Manipolazione: Doctorate Thesis [Solution Algorithms to the Inverse Kinematic Problem for Manipulation Robots] (in Italian). Napoli, Italy. 1986. 193 p.

70. Kuffner J., LaValle S. Space-filling trees: A new perspective on motion planning via incremental search // In Proceedings IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco, USA. 2011. P. 2199-2206.

71. Rantanen M. Improving Probabilistic Roadmap Methods for Fast Motion Planning: Academic Dissertation. Tampere, Finland. 2014. 163 p.

72. Kuffner J.J., LaValle S.M. RRT-connect: An efficient approach to single-query path planning // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-2000). San Francisco, USA. 2000. P. 995-1001.

73. Nishiwaki K., Kagami S. Trajectory design and control of edge-landing walking of a humanoid for higher adaptability to rough terrain // In Proc. 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Vilamoura, Portugal. 2012. P. 3432-3439.

74. Wang C., Meng M.Q.-H. Variant step size RRT: An efficient path planner for UAV in complex environments // In Proc 2016 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics (RCAR). Angkor Wat, Cambodia. 2016. P. 552-560.

75. Weghe M.V., Ferguson D., Srinivasa S.S. Randomized Path Planning for Redundant Manipulators without Inverse Kinematics // In Proc. IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots. Pittsburgh, USA. 2007. 6 p.

76. Лесков А.Г., Калеватых И.А. Экспериментальные исследования алгоритмов управления связанным движением двурукого манипуляционного робота // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2012. № 4. С. 3343.

77. Humanoid Motion Planning for Dual-Arm Manipulation and Re-Grasping Tasks / N. Vahrenkamp [et al.] // In Proc. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. St. Louis, USA. 2009. 7 p.

78. Badler N.I., Phillips C.B., Webber B.L. Simulating Humans: Computer Graphics Animation and Control. New York, Oxford: Oxford University Press, 1993. 288 p.

79. Pandey A.K., Alami R. Mightability maps: A perceptual level decisional framework for co-operative and competitive human-robot interaction // In Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Taipei, Taiwan. 2010. P. 5842-5848.

80. Bispace planning: Concurrent multi-space exploration / R. Diankov [et al.] // Robotics: Science and Systems. 2008. P. 159-166.

81. Vahrenkamp N., Asfour T., Dillmann R. Simultaneous Grasp and Motion Planning: Humanoid Robot ARMAR-III // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2012. Vol. 19, № 2. P. 43-57.

82. Functional Analysis of Finger Contact Locations during Grasping / M.T. Ciocarlie [et al.] // In Proc. Third Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems. Salt Lake City, USA. 2009. P. 401-405.

83. Platt R., Fagg A.H., Grupen R.A. Nullspace Composition of Control Laws for Grasping // In Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Lausanne, Switzerland. 2002. P. 1717-1723.

84. Yamawaki T., Yashima M. Randomized planning and control strategy for whole-arm manipulation of a slippery polygonal object // In Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Tokyo, Japan. 2013. P. 2485-2492.

85. Hyttinen E. Adaptive Grasping Using Tactile Sensing: Licentiate thesis. Stockholm. 2017. 53 p.

86. León B. Morales A., Joaquin S. From Robot to Human Grasping Simulation. Springer International Publishing Switzerland, 2014. 261 p.

87. Salisbury J.K. Kinematic and force analysis of articulated hands: PhD Thesis. Stanford. 1982. 97 p.

88. Suarez R., Roa M. Grasp quality measures: review and performance // Autonomous Robots. 2015. Vol. 38, No. 1. P. 65-88.

89. Shimoga K.B. Robot grasp synthesis algorithms: A survey // The International Journal of Robotics Research. 1996. Vol. 15, № 3. P. 230-266.

90. New metric for wrench space reachability of multifingered hand with contact uncertainties / A. Caldas [et al.] // In Proc. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). Besacon, France. 2014. P. 12361242.

91. Chiu S.L. Control of redundant manipulators for task compatibility // In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA-1987). Raleigh, USA. 1987. P. 1718-1724.

92. Chiu S.L. Task compatibility of manipulator postures // The International Journal of Robotics Research. 1988. Vol. 7, № 5. P. 13-21.

93. Лесков А.Г., Бажинова К.В., Селиверстова Е.В. Методы определения качества захвата объекта // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. №3. С. 122-139.

94. Synthesizing grasp configurations with specified contact regions / C. Rosales [et al.] // The International Journal of Robotics Research. 2010. Vol. 30, № 4. P. 431-443.

95. Chen C., Shu M., Liu R. Asymptotic tracking control of 4WS vehicles based on virtual points // In Proc. IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Beijing, China. 2014. 6 p.

96. Erdogan A., Cihan-Satici A., Patoglu V. Passive velocity field control of a forearm-wrist rehabilitation robot // In Proc. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (IC0RR-2011). Zurich, Switzerland. 2011. 8 p.

97. Passive Force/Velocity Field Control for Contour Tracking of Constrained Robots / A.J. Munoz-Vazquez [et al.] // In Proc. IEEE American Control Conference. Washington, USA. 2013. P. 5728-5734

98. Li P., Horowitz R. Passive Velocity Field Control of Mechanical Manipulators // IEEE Transactions on Robotics and Automation. 1999. Vol. 15, No. 4. P. 751763.

99. Adaptive Tracking Control of On-Line Path Planners: Velocity Fields and Navigation Functions / M. McIntyre [et al.] // In Proc. American Controls Conference. Portland, USA. 2005. P. 3168-3173.

100. Adaptive control of redundant robot manipulators with sub-task objectives / E. Tatlicioglu [et al.] // Robotica. 2009. Vol. 27, № 6. P. 873-881.

отзыв

научного руководителя, доктора технических наук Лескова А.Г. на диссертационную работу Бажиновой К.В. на тему

«Управление робототехнической системой в составе манипуляционного робота и захватного устройства при выполнении автоматического захвата и переноса объекта», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы.

В настоящее время при выполнении работ в опасных условиях и труднодоступных для человека зонах используют, преимущественно, дистанционно управляемые манипуляционные роботы (МР), работающие в полуавтоматическом режиме. Однако при потере связи между оператором и МР использовать полуавтоматическое управление становится невозможным. В этом случае применяют МР, работающие автономно. Такие МР имеют в своем составе средства автоматического планирования траекторий перемещения звеньев захватного устройства (ЗУ) и манипулятора, а также управления движением этих систем. Перечень операций, выполняемых МР, обязательно включает захват ОМ и его перемещение в рабочем пространстве. Реализация этих операций предполагает выбор способа захвата и расчета траекторий движения звеньев захватного устройства и манипулятора. В МР, работающих автономно, эти задачи должны решаться автоматически.

В диссертационной работе Бажиновой К.В. решены актуальные задачи автоматического планирования и управления МР при выполнении операций захвата и перемещения ОМ. Особенно интересным при решении этой задачи представляется рассмотрение МР как единой системы, включающей манипулятор и ЗУ (система «рука+кисть+объект»). Заслуживают особого внимания выполненные Бажиновой К.В. исследования и разработки в области силового захвата, планируемого и исполняемого автоматически.

Диссертационная работа Бажиновой К.В. представляет собой законченную самостоятельную научно-исследовательскую работу, посвященную изучению вопросов теории и практики управления манипуляционными роботами при автоматическом выполнении операции захвата и переноса объектов и содержащую новые результаты, достоверность которых не вызывает сомнений. Работа имеет существенную практическую ценность, связанную с роботизацией процедур работы с некооперируемыми объектами в космосе, с опасными объектами, в труднодоступных и экстремальных условиях. Автор эффективно использовал методы общей теории манипуляционных роботов и их приложение к задачам захвата и манипулирования объектами в автономном режиме, а также методов математического моделирования и экспериментальных исследований

Выносимые автором на защиту научные положения являются результатом детальных аналитических исследований, квалифицированного и широкого анализа публикаций, компьютерного моделирования и натурных экспериментов с использованием современных образцов манипуляционных роботов и их компонентов, современного программного обеспечения. Полученные автором данные достоверны, результаты экспериментов грамотно интерпретированы, выводы достаточно убедительны.

Уровень. подготовки автора работы, о котором свидетельствует представленная к защите диссертация, позволяет считать, что Бажинова К.В. заслуживает присуждения ей ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехническг—......

Научный руководитель доктор технических наук

Подпись Лескова А.Г. заверяю

Уйм алии*/