Дистанционная система управления манипулятором с обратной связью

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Дистанционная система управления манипулятором с обратной связью

Воронин Р.П. 1
1МБУДО Дом детского творчества
Румянцев В.О. 1Воронина О.В. 1
1МБУДО Дом детского творчества
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современном мире человек осваивает различные среды: Космос, Мировой океан, зоны повышенной радиоактивности и так далее.

Не во всех средах человек может присутствовать физически, поэтому он направляет туда дистанционно управляемые и автономные механизмы: беспилотные летательные аппараты, манипуляторы, подводные роботизированные аппараты и тому подобные технические устройства [1].Это соответствует и целям национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной протоколом заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по стратегическому развитию и национальным проектам от 4 июня 2019 г. № 7. Одна из них - преобразование приоритетных отраслей экономики и социальной сферы, включая здравоохранение, образование, промышленность, сельское хозяйство, строительство, городское хозяйство, транспортную и энергетическую инфраструктуру, финансовые услуги, посредством внедрения цифровых технологий и платформенных решений [2].

В данном проекте использован пример освоения такой среды, как Мировой океан.

Национальная морская политика Российской Федерации, закреплённая Морской доктриной Российской Федерации до 2030 года, утверждённой Президентом Российской Федерации 26.07.2015, в интересах устойчивого развития и обеспечения национальной безопасности, определяет, в том числе, следующие функциональные направления:развитие систем государственного мониторинга окружающей среды приморских территорий Российской Федерациина основе дистанционного зондирования и контактных наблюдений;активизация морских научных исследований в интересах поддержания конкурентоспособности морской деятельности России;сохранение человеческой жизни на море; освоение и сохранение ресурсов Мирового океана;обеспечение систематических исследований морской среды, ресурсов и пространств океанов и морей [3].

Всё вышеперечисленное подразумевает использование современных технических средств и технологий изучения и освоения (обитаемых и беспилотных роботов) такими потребителями, как учёные, спасатели, работники службы безопасности, сапёры, подводные строители, экологи.

Назначение роботов в качестве аналогов человека предполагает их взаимодействие с внешней средой путём выполнения различных действий с объектами этой среды. Для чего основным средством служат манипуляторы. Система управления манипулятора должна получать информацию о его положении, перемещении и силовом взаимодействии с внешней средой. Манипуляторы могут иметь системы управления как без обратной связи, так и с обратной связью. Наиболее перспективными и удобными являются манипуляторы с обратной связью, так как оператор непосредственно чувствует взаимодействие с управляемым объектом, что позволяет ему, например, при выполнении такой простой операции как взятие и перенос какого-либо предмета, особенно хрупкого, контролировать усилие захвата, чтобы с одной стороны не повредить, а с другой – не отпустить этот предмет [4].

Гипотеза: интуитивно понятная копирующая система управления позволит даже неопытному оператору выполнять задачи со скоростью и моторикой, соответствующими человеческим. Обратная связь по усилию значительно снизит риск повреждения как окружающих объектов, так и самого манипулятора.

Цель работы: повышение качества управления манипулятором - уменьшение перерегулирования, сокращение времени выполнения контактных операций, снижение риска ошибки при позиционировании объекта - в любой окружающей среде, в том числе в нестабильных условиях обстановки. А также сокращение времени профессиональной подготовки операторов манипуляторов путём создания обратной связи для дистанционной системы управления манипулятором.

Актуальность темы. Дистанционное управление робототехническими системами с обратной на настоящий день является одним из самых активно развивающихся направлений робототехники. Это обусловлено, в частности, увеличением количества проводимых работ, в которых присутствие человека нежелательно или невозможно, а также ростом числа задач высокоточного манипулирования, для выполнения которых человеку необходимы вспомогательные технические средства.

Новизна данной инновационной разработки заключается в интеграции обратной связи в антропоморфную систему управления.

Методы исследования, которые были использованы в работе: системный анализ, синтез, сравнение, описание, проектирование, моделирование (компьютерное, физическое), метод планирования и управления, метод инжиниринга.

I. Изучение, моделирование, практическая реализация проекта

В июле 2019 года в ходе проектной смены «Большие вызовы» Образовательного центра «Сириус» моей командой был создан прототип подводного манипулятора для подводного телеуправляемого необитаемого подводного исследовательского аппарата (ТНПА) TurtleROV2, разработанного компанией Elmics и предоставленного нам Национальным исследовательским университетом «Московский институт электронной техники». Данный аппарат не имел манипулятора, выполнял только осмотровые функции, но не мог брать образцы. Мы разработали и опробовали манипулятор, управляемый на расстоянии жестикуляцией оператора. Кроме того, мы придумали и особый захват манипулятора, позволяющий брать со дна предметы любых форм.

В процессе работы мы экспериментально выяснили, что управление, основанное на естественных и интеллектуально понятных для человека жестах руки, является самым удачным вариантом, так как оно удобно и эффективно, а также не требует от человека специальной подготовки. Мы разработали 3D-модель специальной эргономичной рукоятки для управления манипулятором.

Однако, несмотря на все плюсы созданной нами системы, у неё имеются два существенных недостатка: отсутствие беспроводной системы управления и обратной связи у манипулятора. Внедрение данных технологий планировалось еще на этапе разработки системы управления, но так и не было воплощено в жизнь в ходе работы над проектом в Образовательном центре «Сириус».

Поскольку, как упоминалось выше, манипуляторы с обратной связью позволяют оператору непосредственно чувствовать взаимодействие с управляемым объектом и потому являются наиболее перспективными и удобными, по завершению образовательной смены «Большие вызовы» я принял решение доработать систему управления манипулятором, внедрив в неё технологию обратной связи.

Обратная связь для манипулятора – это система датчиков, используемая для контроля положения его звеньев и формирования сигналов обратной связи, которые необходимы для точного управления манипулятором [5].

Обратная связь может быть тактильной (визуальной, акустической, цветовой) и силовой. Каждая из них может быть положительной, отрицательной или прямо пропорциональной.

Нами были проанализированы иные системы управления манипуляторами, представленные на рынке специального оборудования [4]. Большинство из них основано на потенциометрах или контроллерах. Такие системы управления позволяют лишь поэтапно менять положение манипулятора в пространстве, что является крайне затратным по времени. Обратной связью эти системы управления не оборудованы. Кроме них имеются более удобные антропоморфные системы управления, но они так же не оборудованы обратной связью.

В настоящее время обратная связь в системах управления роботами-манипуляторами существует только в экспериментальных моделях (например, omega.x, delta.x, sigma.х от Force Dimension) [6]. Информация о наличии такой робототехники на рынке отсутствует.

I.1. Описание создания системы управления манипулятором с обратной связью

Изначально, в процессе разработки системы управления основной акцент ставился на эргономику управляющей рукоятки. Её использование должно было быть максимально удобным и простым для оператора, создавая впечатление того, что манипулятор является продолжением его руки. Но при этом рукоятка не обеспечивала возможности беспроводного управления и систему обратной связи (приложение 1, рисунок 1).

Для модернизации рукоятки мы разработали 3D-модель, предусмотрев достаточное функциональное пространство для размещения в нём микроконтроллера беспроводного управления, который также позволит обеспечить обратную связь (приложение 1, рисунок 2).

Для внедрения обратной связи в систему управления было решено оснастить микроконтроллером и сам манипулятор (приложение 2, фото 1).

II. Подборка компонентов для манипулятора и управляющей рукоятки

Основной целью данной системы управления является следование манипулятора траектории, задаваемой рукой оператора, а также осуществление тактильной обратной связи с помощью установленного в специальной манжете вибромотора (приложение 2, фото 2, 3).

Для того, чтобы была возможность наиболее точно определить градус поворота каждого из звеньев манипулятора, в соответствии с коэффициентом выбранного оператором типа обратной связи, используются серводвигатели, так как в отличии от всех остальных поворот они осуществляют на конкретно заданное количество градусов. Удобство использования именно серводвигателей было выявлено экспериментальным путем.

В качестве управляющего микроконтроллера была выбрана ArduinoUno. Перед аналогами она имеет ряд преимуществ:

- контроллер поддерживает пины с выходным напряжением 5V, что позволяет подключить к нему серводвигатели и резистивные датчики давления;

- удобство в настройке и использовании;

- поддержка широкого диапазона подключаемого оборудования (приложение 1, рисунок 3, рисунок 4, рисунок 5).

Для подключения серводвигателей ArduinoUno оборудуется платой расширений MultiservoShield (блок управления), позволяющей одновременно подключать до 18 сервоприводов. Также она имеет отдельное питание для серводвигателей и полностью избавляет от проблемы их дрожания (приложение 1, рисунок 6).

Так как манипуляторы могут использоваться в различных средах, определять силу воздействия манипулятора на объект лучше всего с помощью двухдатчиковой замеряющей силу давления системы, используя резистивные датчики давления, расположенные на частях захвата манипулятора (приложение 1, рисунок 7).

Для определения силы сжатия или разжатия руки оператора в рукоятке используется однодатчиковая система, измеряющая силу давления пружины на верхнюю часть рукоятки, которая будет меняться в зависимости от жестов руки оператора. Определение положения руки оператора в пространстве происходит за счет встраивания акселерометра в рукоятку управления (приложение 1, рисунок 8).

Так как манипулятор призван выполнять различные задачи, то в создаваемой системе управления манипулятором решено использовать все виды обратной связи.

В качестве управляющего микроконтроллера на рукоятке была взята ArduinoNano, являющаяся полной копией вышеуказанной ArduinoUno, но имеющей маленькие габариты, что позволяет уместить её в специально отведенный отсек в рукоятке (приложение 1, рисунок 9).

II.1. Алгоритм и схема работы модели манипулятора с обратной связью

Описание работы системы

В рукоятке управления находится акселерометр, который определяет её положение в пространстве относительно осей X, Y и Z. С помощью него микроконтроллер может отслеживать перемещение руки оператора относительно начального (нулевого) положения, которое задается оператором каждый раз, сразу после включения системы.

Если изменение в положении рукоятки зафиксировано, микроконтроллер определяет его направленность и модуль, и в соответствии с этими данными формирует и отправляет манипулятору информационный пакет. Содержание данного пакета следующее: название команды, направление движения, количество градусов поворота.

В верхней части рукоятки расположен резистивный датчик давления. Между ним и подвижной частью ручки располагается пружина, которая в нейтральном положении подвижной части оказывает одинаковое постоянное давление на датчик. Если оператор сожмет или разожмет руку, микроконтроллером будет зафиксировано изменение давления на датчике, определено направление и модуль силы сжатия/разжатия. После чего манипулятору будет выслан следующий информационный пакет: название команды, направление движения, количество градусов сжатия/разжатия.

Микроконтроллер рукоятки управления также может принимать данные от манипулятора. После получения данных происходит сохранение и анализ пакета. Если в нем содержится информация об изменении давления, приходящегося на части захвата манипулятора, микроконтроллер высчитывает силу тактильного сигнала, анализируя, насколько сильно изменилось давление, и подаёт сигнал вибромотору, располагающемуся на запястье оператора. В случае перезагрузки системы, от манипулятора приходит запрос, начинать ли ему работу в том положении, в котором она была завершена, или вернуться к нейтральному (приложение 1, рисунок 11).

На частях захвата манипулятора расположено два резистивных датчика давления. В случае, если манипулятор сжимает какой-то предмет, микроконтроллер преобразует силу давления, полученную от датчиков, и отправляет информационный пакет с этими данными рукоятке управления. Содержание данного пакета следующие: название команды, величина давления.

В случае перезагрузки системы по какой-либо причине и обнаружении микроконтроллером, что манипулятор находится не в нейтральном положении, на рукоятку отправляется запрос: продолжить работу из данного положения, или вернуться в нейтральное? Такой подход позволит избежать повреждения объектов, находившихся в манипуляторе при аварийном выключении питания.

Если с рукоятки управления приходят данные, микроконтроллер анализирует название команды, направление и модуль силыи приводит в движение нужные серводвигатели на рассчитанное количество градусов (приложение 1, рисунок 12). Если в данных содержится информация о перемещении руки оператора в пространстве, микроконтроллер манипулятора строит вектор перемещения акселерометра в плоскости и задает положение сервоприводов таким образом, чтобы сумма векторов их перемещения была равна вектору перемещения акселерометра.

Для демонстрации технологии обратной связи нами была создана модель, отражающая основные принципы работы. Управляющие программы для микроконтроллеров написаны на языке С в среде разработки Arduino IDA.

Блок-схема алгоритма работы рукоятки управления – в приложении 1, рисунок 13. Блок-схема алгоритма работы манипулятора – в приложении 2, рисунок 14.

III. Экономическийэффект от реализации проекта

В интервью РИА Новости гендиректор Отраслевого центра НТИ «Маринет» Александр Пинский отметил, что уникальность нашей командной разработки и её главное отличие от уже существующих способов управления подводным манипулятором в том, что он приводится в движение не джойстиками или кнопками, а жестикуляцией оператора. Поэтому прототип должен стать живым коммерческим решением. Интерес к нему, считают в «Маринете», могут проявить нефтегазовые и судоходные компании, владельцы гидротехнических сооружений, исследовательские институты и объединения [7].

Манипулятор же с дистанционной системой управления с тактильной обратной связью тем более должен стать востребованным инновационным продуктом, так как интуитивно понятное управление, безусловно, более удобное. Возможность управлять дистанционно заинтересует работников тех сфер, где требуется замена человека при выполнении задач высокоточного манипулирования.

Кроме того, профессиональная подготовка оператора манипулятора рассчитана на 280 – 320 часов [8]. Наша же система обратной связи интуитивна и потому не потребует длительного обучения операторов: профессиональная подготовка займёт значительно меньше времени - экономия не менее 40% (приложение 3, таблица 1). То есть, соблюдается один из основных принципов экономики: время – деньги.

Тактильная обратная связь значительно снизит риск повреждения как окружающих объектов, так и самого манипулятора. Таким образом, экономятся материальные и трудовые ресурсы.

Экономия трудовых ресурсов, а значит, и экономия на оплате труда возможна также и при работе одного оператора манипулятора с обратной связью вместо группы работников.

Также экономический эффект будет достигатьсяза счёт того, что управляющие программы для системы управления манипулятором с обратной связью созданы самостоятельно, и потенциальный потребитель будет пользоваться отечественным программным обеспечением в сфере робототехники и применения технологий искусственного интеллекта, что полностью соответствует одной из основных задач импортозамещения национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» [2].

Расчёты изготовления модели манипулятора с дистанционным управлением и обратной связью представлены в таблице 2 приложения 3.

IV. Заключение. Инновационный потенциал данной разработки заключается в интеграции обратной связи в антропоморфную систему управления. В работе решена важная научно-техническая задача создания дистанционного управления манипулятором на основе применения тактильного канала обратной связи, в котором тактильная обратная связь создавалась на основе данных, полученных с манипулятора.

В связи с тем, что в нашей модели используются датчики измерения давления, оператор манипулятора может тактильно чувствовать силу сжатия объекта, а значит, воспринимать информацию на физическом уровне, что исключает повреждение объекта при работе с ним. Это подтверждает нашу гипотезу.

IV.1. Выводы по результатам исследования. Интуитивно понятная копирующая система управления позволит даже неопытному оператору выполнять задачи со скоростью и моторикой, соответствующими человеческим. Таким образом, повышается качество манипулирования: уменьшается перерегулирование, сокращается время выполнения контактных операций, снижается риск ошибки при позиционировании объекта.

Экономия времени на обучение оператора манипулятора с обратной связью составит не менее 40%. Тактильная обратная связь значительно снизит риск повреждения как окружающих объектов, так и самого манипулятора.

IV.2. Практическая значимость проекта заключается в том, что итоговый инновационный продукт может быть использован в любой отрасли экономики и социальной сферы, включая здравоохранение, образование, безопасность, промышленность, сельское хозяйство, строительство, в том числе подводное, городское хозяйство и т.д.

IV.3. Перспектива продолжения работы. На основании созданной модели будет продолжена модернизация системы управления манипулятором путём внедрения новых степеней свободы и дополнительных каналов обратной связи. Будут проведены экспериментальные исследования разработанной дистанционно управляемой модели манипулятора. Планируется разработка бизнес-плана создания Учебного центра для операторов манипуляторов с дистанционным управлением и обратной связью.

Список литературы и использованных источников

На дно океана: топ 5 российских глубоководных аппаратов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tvzvezda.ru/news/opk/content/201707121549-v8fk.htm.

Национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://digital.gov.ru/uploaded/files/natsionalnaya-programma-tsifrovaya-ekonomika-rossijskoj-federatsii_NcN2nOO.pdf.

Морская доктрина Российской Федерации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://static.kremlin.ru/media/events/files/ru/uAFi5nvux2twaqjftS5yrIZUVTJan77L.pdf.

Манипулятор с обратной связью по усилию [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.krafttelerobotics.ru/files/manipulyatory-predator-tech/kraft-predator-ru-pdf.pdf.

Робототехника. Наука и технологии. Что такое силовая обратная связь? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.krafttelerobotics.ru/chto-takoe-force-feedback-.html.

6. ForceDimension [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.forcedimension.com/fd/avs/home/products/6-dof_delta.

7. РИА Новости. Российские школьники создали прототип подводного манипулятора «Алёша»[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ria.ru/20190730/1556987469.html.

8. Гидрострой [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http:http://www.fls-gidrostroy.ru/?wesale.html.

9. Число – Степень – Свобода – Манипулятор. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.ngpedia.ru/id597350p1.html.

10. Повышение качества процессов дистанционного управления микроробототехническими системами на основе визуально-силового канала обратной связи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tekhnosfera.com/povyshenie-kachestva-protsessov-distantsionnogo-upravleniya-mikrorobototehnicheskimi-sistemami-na-osnove-vizualno-silovog.

11. Подводные технологии. Водолазные работы [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://водолазный.рф.

12. Концепция федеральной целевой программы «Мировой океан» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kremlin.ru/acts/bank/10480/print.

Приложение 1

Рисунки

   

Рисунок 1 – Рукоятка управления манипулятором до модернизации

 

Рисунок 2 – Рукоятка управления манипулятором после модернизации

   

Рисунок 3 – ArduinoUno

Рисунок 4 – Схема серводвигателя

   

Рисунок 5 – Серводвигатель

Рисунок 6 – MultiservoShield

   

Рисунок 7 – Резистивный датчик давления

Рисунок 8 – Акселерометр

 

Рисунок 9 – ArduinoNano

 

Рисунок 10 – Схема передачи информации в системе

 

Рисунок 11 – Схема рукоятки управления

 

Рисунок 12 – Схема манипулятора

Рисунок 13 - Блок-схема алгоритма работы рукоятки управления

Рисунок 14 - Блок-схема алгоритма работы манипулятора

Приложение 2

Фотографии

     

Фото 1 – Оснащение манипулятора микроконтроллером

Фото 2, 3 – оснащение вибромотором манжеты рукоятки управления

П риложение 3

Таблицы

Таблица 1. Ожидаемая экономия времени на обучение оператора манипулятора с обратной связью.

Профессиональная подготовка оператора манипулятора

Предполагаемая экономия времени на обучение (%)

без обратной связи

с обратной связью

время обучения (час.)

предполагаемое время обучения (час.)

280 - 320

<=170

~ 40

Таблица 2. Расчёт затрат на создание модели «Манипулятор с дистанционным управлением и обратной связью».

п/п

Наименование оборудования

Цена

Количество

Сумма

1

Серводвигатель MG996

400

6 шт.

 

2

Плата расширения MultiservoShield

350

1 шт.

 

3

Микроконтроллер ArduinoNano

500

1 шт.

 

4

Блок питания 12В

800

1 шт.

 

5

Резистивный датчик давления FSR402

500

2 шт.

 

6

Пластик ABS

1.600

1 кг

 

7

Акселерометр GY-521

250

1 шт.

 

8

ArduinoUno

350

1 шт.

 

9

Аккумулятор

150

2 шт.

 

10

Радиомодуль RF24

50

2 шт.

 

11

Кронштейн

200

12 шт.

2.400

12

Захват

700

1 шт.

700

 

ИТОГО:

   

10.750

Цены в таблице указаны по состоянию на сентябрь 2019 года.

Просмотров работы: 26