Часть V РОБОТОТЕХНИКА УДК 681.51, 004.31 В. А. Егунов, А. Л. Качалов РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА МОБИЛЬНОГО ШАГАЮЩЕГО РОБОТА Волгоградский государственный технический университет [email protected], [email protected] Рассматривается вопрос проектирования мобильного шагающего робота-гексапода. Описывается процесс разработки 3D-модели робота. Приводится описание алгоритмов формирования различных походок робота. Ключевые слова: мобильный робот, шагающий робот, робот-гексапод, 3D-модель, 3D-принтер, 3D-прототипирование, походка робота, движение робота. V. A. Egunov, A. L. Kachalov DEVELOPMENT OF SOFTWARE - HARDWARE COMPLEX FOR MOBILE WALKING ROBOT Volgogorad State Technical University Discusses the designing of a mobile walking robot-hexapod. Describes the development of the robot 3D model. Discusses the description of algorithms of formation of various gaits of the robot. Keywords: mobile robot, walking robot, robot-hexapod, 3D-model, 3D-printer, 3D-prototyping, the robot gait, the robot motion. В настоящее время исследования в области робототехники являются крайне актуальными. Существует огромное количество роботов, которые заменяют человека в зонах повышенной опасности, будь то производственный цех или ликвидация техногенной катастрофы, избавляют от монотонного труда, делают нашу бытовую жизнь проще [1]. Появляются все более и более совершенные модели, способные к анализу информации и принятию решений, распознаванию объектов и манипуляции ими. Активно проводятся испытания по исследованию и изготовлению шагающих роботов. Это связано с тем, что шагающие конструкции по сравнению с классическими колесными и гусеничными аппаратами [2, 3] имеют ряд достоинств, в том числе при перемещении по поверхностям с трудным рельефом, таким как завалы, пресеченная местность, а также внутри зданий, где необходимо передвигаться по узким коридорам, лестницам и шахтам. Разработка мобильных шагающих роботов с шестью конечностями и более в настоящее время привле_________________________ © Егунов В. А., Качалов А. Л., 2018 кает внимание большого числа разработчиков робототехнических комплексов, существует большое число публикаций, посвященных конструкциям таких роботов, а также алгоритмам их перемещения [4, 5]. В связи с этим в данной работе приводится описание проекта, связанного с созданием программно-аппаратного комплекса мобильного шагающего робота на основе одноплатного микрокомпьютера Raspberry Pi 3 Model B. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: – исследовать виды мобильных платформ; – создать 3D-модель прототипа hexapod; – распечатать 3D-модель на 3D-принтере, собрать hexapod; – разработать программу управления мобильным роботом. В наше время скорость проектирования и изготовления изделий и деталей становится все быстрее. Технология 3D-печати позволяет в короткое время буквально вырастить спроектированную на персональном компьютере 103 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ У 3D-модеель. Техноллогия заклю ючается в тоом, что на 3D-п принтере поослойно печ чатается физзический объеект из опред деленной 3D D-модели. СоС ответственн но, для этого необходим ма сама CA AD- модел ль. В рамкахх данного прроекта были и разработаны ы все деталли, необход димые для изготови ления шагающегоо робота. Ч Часть моделеей детаредставлены ы на рис. 1 и 2. лей пр а б Рисс. 1. Чертеж деетали, соединяю ющей корпус робота р и частьь конечности: а – аксонометри ический вид; б – вид сверху а б в Рис. 2. Чертеж части конечности в трех проекцияях: а – аксон нометрический вид; б – вид спереди; в – вид сбооку В резулльтате разрааботанные изделия и бы ыли распечатаны ы на 3D-прринтере каф федры ЭВМ и систем м ВолгГТУ и использовааны для сбор рки конструкц ции шагающ щего робота-ггексапода (р рис. 3). а б Р 3. Фотограафии реализац Рис. ции робота: а – однаа собранная конечность; б – пол лная сборка робоота 104 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ При создании алгоритмов передвижения мобильных роботов разработчики основываются на биологическом подходе. Такой подход возник потому, что механические конечности живых существ являются прообразом современных движителей мобильных платформ, следовательно, рукотворные конечности должны повторять локомоционные действия живых существ. С течением времени эти алгоритмы комбинируются, дорабатываются или изменяются. Классификация существующих алгоритмов: 1) алгоритмы с заранее сконфигурированными параметрами (количество конечностей, последовательность действий); 2) адаптивные алгоритмы: – алгоритмы, учитывающие изменение числа конечностей и их сочленений; – алгоритмы, разработанные с учетом неровностей и наклонов поверхности; – самообучающиеся алгоритмы. В данном проекте использовались алгоритмы первого типа, в которых учитывалось число конечностей робота, число степеней свободы конечностей, направленность степеней свободы. Алгоритмы движения для роботов-гексаподов можно разделить на несколько групп: инсектоподобные, животноподобные и комбинированные. Инсектоподобное перемещение представляет собой волнообразные движения конечностей. Способ изменения положения конечности в горизонтальной плоскости – движение по окружности (плоскость вращения параллельна поверхности). При этом выполняются следующие действия: 1) поднять конечность; 2) переместить конечность в направлении необходимого движения; 3) опустить конечность до упора на поверхность. 4) переместить конечность в направлении, противоположном движению (происходит отталкивание). Животноподобное перемещение использует в качестве способа изменения положения конечности в горизонтальной плоскости не движение по окружности, а изменение длины проекции конечности на поверхность путем сгибания конечности в сочленении. Таким образом, для реализации животноподобного алгоритма требуется наличие многосегментной конечности (два и более сочленения). При этом выполняются следующие действия: 1) поднять конечность; 2) опорный сегмент конечности приближается к корпусу (в направлении необходимого движения), путем сгибания «коленного» сочленения; 3) конечность опускается; 4) «коленное» сочленение разгибается, опорный сегмент конечности удаляется от корпуса (происходит отталкивание). Данные перемещения являются основой для построения различных алгоритмов перемещения шагающих роботов. В алгоритме «third+third инсектоподобный» конечности разделяются на две группы, образующие треугольники. При движении одна группа поднимается, другая остается опорной и толкает робота в направлении движения. Возможно прямолинейное движение в направлении, параллельном оси симметрии робота. Движение вперед осуществляется при повороте двух конечностей в одном направлении и одной в противоположном. Разворот робота осуществляется при повороте трех опорных конечностей в одном направлении. Алгоритм «third+third животноподобный» схож с описанным выше, но реализует только прямолинейное движение. Отличия заключаются в способе изменения положения конечностей в направлении прямолинейного движения. Движение происходит параллельно оси симметрии конечности, которая отличается от двух других в группе. В алгоритме «third+third комбинированный» конечности разделяются на две группы, образующие треугольники. В каждой группе две конечности используют инсектоподобный способ, а одна использует животноподобный. Данный алгоритм реализует прямолинейное движение. Направленность движения параллельна оси, на которой расположены конечности, использующие животноподобный алгоритм. На рис. 5 приведен алгоритм прямолинейного движения робота. Данный алгоритм применяется для прямолинейного движения по ровной поверхности с допустимой высотой неровностей 2–3 сантиментра. Для преодоления препятствий необходима реализация бортового технического зрения, так как конструкция разработанного гексапода потенциально позволяет преодолевать неровности свыше 5 сантиметров. Данный алгоритм обеспечивает стабильность робота на любом этапе перемещения (шага). Он хорошо подходит для машин, у которых число конечностей равно шести или более. 105 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ У Следуетт отметить, что для нааписания пррограммы упрравления сеерводвигателями был иси пользован язык высоккого уровняя С++. Неп посредственноое управлление сервводвигателям ми осуществляяется с исп пользованием м платы раасширения Multiservo M Shhield, котораая взаимодеействует с Raaspberry Pi 3 через интеерфейс I2C [6]. На Raspbeerry устаноовлена сисстема Ubunntu 16.04. Взаи имодействиее по I2C меж жду Raspberrry омощью и Mulltiservo Shield осуществвляется с по функц ций стандарртной Linuux библиотееки I2C dev-in nterface. Наа рис. 4 пред дставлена схема движеения мобильной платформы. Здесь темным цветтом обозначен ны конечноссти, которы ые находятсяя на поверхно ости ландш шафта, светллым – конеечности, которы ые подняты ы (находятся в воздухее). Данный ал лгоритм явлляется инсекктоподобны ым. Рис. 4. Схеема движения робота р а б Рис. 5. Алгорритм движенияя робота: а – общий алгоритм; а б – деетальное описани ие шага робота вперед в БИ ИБЛИОГРАФИ ИЧЕСКИЙ СПИ ИСОК 1. Интелллектуальные роботы : учеб. пособие для вузов / И.А. Калляев [и др.] ; под п ред. Е.И. Юревича. – М. М : Машиностроеение, 2007. – 3660 с. Е В.А. Об б управлении транспортной системой 2. Егунов, мобилььного робота / В.А. Егунов, А.П. Жуков, М.И. Потапов /// Известия ВоллгГТУ. Серия ««Актуальные проблемы п управлеения, вычислиттельной техникки и информаттики в тех- 106 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ нических системах». Вып. 12 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – № 11. – C. 51–52. 3. Егунов, В.А. Трехуровневая архитектура мобильных робототехнических комплексов / В.А. Егунов, М.И. Потапов // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – № 4 (91). – C. 159–161. 4. Zhu, Y., Guo, T., Liu, Q., Li, Q., Yan, R. A study of arbitrary gait pattern generation for turning of a bio-inspired hexapod robot. // Robotics and Autonomous Systems. – 2017. #97, с. 125–135. 5. Development of the insectoid walking robot with inertial navigation system / V.A. Egunov, A.L. Kachalov, M.K. Petrosyan, P.S. Tarasov, E.V. Yankina // Proceedings of the 2018 International Conference on Artificial Life and Robotics (ICAROB2018) (February 1-4, 2018, B-CON Plaza, Beppu, Oita, Japan) / Editor-in-Chief Masanori Sugisaka ; International Steering Committee of International Conference on Artifical Life and Robotics (ICAROB), ICAROB society (ALife Robotics Corporations Ltd.), IEEE Fukuoka Section (Japan). – [Japan], 2018. – P. 54 (Mobile Robotics ; OS7-2). 6. Гук, М. Ю. Аппаратные интерфейсы ПК / М. Ю. Гук. – СПб. : Питер, 2002. – 528 с. УДК 681.51, 004.31 В. А. Егунов, М. К. Петросян РАЗРАБОТКА ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ ШАГАЮЩЕГО РОБОТА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ РОБОТА В ПРОСТРАНСТВЕ Волгоградский государственный технический университет [email protected], [email protected] Рассматривается вопрос обработки данных, полученных с инерциальной навигационной системы мобильного робота-гексапода. Описывается механизм передачи полученных данных на персональный компьютер с целью визуализации крена и тангажа платформы мобильного робота. Ключевые слова: акселерометр, гироскоп, инерциальная навигация, мобильный робот, робот-гексапод, комплементарный фильтр, OpenGL, визуализация, крен, тангаж. V. A. Egunov, M. K. Petrosyan DEVELOPMENT OF INERTIAL NAVIGATION SYSTEM OF A WALKING ROBOT WITH THE ABILITY TO VISUALIZE THE POSITION OF THE ROBOT IN SPACE Volgogorad State Technical University Discusses the processing of data obtained from the inertial navigation system of mobile robot-hexapod. Describes the mechanism of data transfer to a personal computer to visualize the roll and pitch of the mobile robot platform. Keywords: accelerometer, gyroscope, inertial navigation, mobile robot, robot- hexapod, complementary filter, OpenGL, rendering, roll, pitch. Важной прикладной задачей является определение положения платформы мобильного робота в пространстве, в частности, определение углов наклона платформы относительно ее продольной и поперечной оси, т. е. крена и тангажа. В данной работе описывается решение данной задачи с использованием инерциальных датчиков – акселерометра, измеряющего кажущееся линейное ускорение, т. е. разницу между истинным линейным ускорением объекта и гравитационным ускорением, и гироскопа, измеряющего угловую скорость вращения объекта, подключенных к микрокомпьютеру Raspberry Pi 3 Model B на примере мобильного шагающего робота-гексапода. Другие подходы к построению систем управления мобильными роботами описаны, например, в [1, 2]. Отдельно _________________________ © Егунов В. А., Петросян М. К., 2018 стоит упомянуть о системах управлениях мобильными роботами, в которых оценка положения осуществляется на основе одометрии [3], т. е. использовании данных о движении приводов робота для оценки его перемещения. Актуальность работы обусловлена широким применением робототехники в различных сферах деятельности человека. Применение высокопроходимых мобильных роботов может значительно снизить необходимость участия человека в тяжелой и опасной работе. Задача определения положения мобильного робота в пространстве является актуальной как для автономных роботов, так и для управляемых моделей, особенно в условиях отсутствия визуального контакта оператора с управляемым роботом.
