авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Планирование траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном трехмерном рабочем пространстве на основе эволюционных методов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КАМИЛЬЯНОВ Артур Рамилевич

Планирование

траекторий движения многозвенного манипулятора

в сложном трехмерном рабочем пространстве

на основе эволюционных методов

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление

и обработка информации

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2007

Работа выполнена на кафедре вычислительной математики и кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. ЮСУПОВА Нафиса Исламовна
Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. ВАЛЕЕВ Сагит Сабитович д-р техн. наук, проф. КУЛАКОВ Феликс Михайлович
Ведущая организация Институт механики Уфимского научного центра Российской Академии Наук

Защита состоится 28 декабря 2007 года в 1000 часов

на заседании диссертационного совета Д-212.288.03

Уфимского государственного авиационного технического университета

по адресу: 450000, Уфа-центр,
ул. К.Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 26 ноября 2007 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета
д-р техн. наук, проф. В.В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Многозвенные манипуляторы, как правило, используются для повышения эффективности работы робота в пространстве с множеством препятствий, так как позволяют получать различные конфигурации робота без смещения конца исполнительного механизма от цели. Такие манипуляторы могут применяться в медицине (хирургические операции с минимальным повреждением кожных покровов, зондирование и т.д.), космической промышленности (монтаж/демонтаж сложных деталей, съемка параметров и т.д.), проверка состояния труднодоступных частей машины в технике, различных производственных системах. Их используют для проведения космических и подводных исследований, для работы с вредными веществами и радиоактивными материалами.

Исследования, посвященные способам планирования траекторий движения робототехнических систем различных классов, можно найти в работах отечественных и зарубежных ученых (Ю.Г. Козырева, П.Д. Крутько, Ф.М.Кулакова, А.В. Тимофеева, С.Ф. Бурдаков, Б.Г. Ильясов, В.И. Васильев, P.Bohner, S. Cameron, K. Fu, S. Ma, A. McLean, I. Kobayashi, U. Rembold, H.Woern, F. Binwen, E. Cheung, Y. Konishi, C. Lin, Y. Nakamura и других). В них получены алгоритмы, обеспечивающие планирование траекторий для относительно небольшого числа звеньев (не более 10). Улучшение методов решения задачи планирования траекторий, расширение условий применимости алгоритмов планирования траекторий создает предпосылки для построения более эффективных систем управления многозвенными манипуляторами.



Основными трудностями, возникающими при разработке алгоритмов планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов, являются:

  • большое количество звеньев. Для определения конфигурации манипулятора необходимо рассчитать тем или иным способом собственные переменные каждого звена манипулятора, а также учесть ограничения, связанные с физической структурой манипулятора; При большом числе звеньев, растёт число управляемых объектов, еще большим становится объем вычислений, необходимых для расчёта траектории движения манипулятора, т.к. в линейной алгебре доказано, что сложность решения резко возрастает при превышении в системе уравнений числа переменных свыше 6.
  • сложность рабочего пространства. Манипуляторы рассматриваемого класса предназначены, как правило, для выполнения работы в пространствах с большим количеством препятствий.

Для преодоления данных трудностей в последнее время широко используются интеллектуальные методы, которые в ряде случаев позволяют получить решение рассматриваемой задачи без применения сложных вычислений. В этой области, в частности, предложены эвристический рекурсивный алгоритм, генетический подход и комбинирование генетического подхода с парадигмой экспертной системы. Данные исследования проведены для манипулятора типа “слайдер”, который изначально находится в сложенной конфигурации и постепенно выдвигается к цели из определённой точки в двумерном пространстве.

Неисследованными являются интеллектуальные методы планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов с учётом начальной конфигурации в трехмерном пространстве, предусматривающие обход препятствий и уклонение от столкновений с ними, а также обеспечивающие приемлемое значение показателей качества.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование и разработка методов и алгоритмов планирования траектории движения многозвенного манипулятора из начальной конфигурации к цели на основе эволюционных методов поиска, в условиях сложного, комплексного трехмерного пространства и избыточного числа звеньев. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

  1. разработать методы планирования траектории движения многозвенного манипулятора в сложном трёхмерном пространстве с учётом начальной конфигурации на основе:
    • генетического подхода;
    • комбинирования генетического подхода и метода имитации отжига;
    • комбинирования генетического подхода и метода репульсивного роя частиц;
  2. разработать алгоритмическое обеспечение для реализации предложенных методов планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов;
  3. разработать программное обеспечение для реализации предложенных методов планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов на моделирующем комплексе и средства визуализации результатов решения задач;
  4. исследовать эффективность предложенных методов, алгоритмов и программного обеспечения системы планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном трехмерном рабочем пространстве.

Методика исследования. В работе использовались методы разработки интеллектуальных систем, генетических алгоритмов, имитации отжига, репульсивного роя частиц. В работе также учитываются основные положения робототехники, применяются методы анализа кинематики и динамики манипуляторов. При разработке программного обеспечения применялись объектно-ориентированный подход, методы машинной графики.

Основные результаты, выносимые на защиту:

На защиту выносятся:

  1. Методы планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном трехмерном пространстве с учётом начальной конфигурации на основе:
    • генетического подхода;
    • комбинирования генетического подхода и метода имитации отжига;
    • комбинирования генетического подхода и метода репульсивного роя частиц;
  2. алгоритмическое обеспечение для реализации предложенных методов планирования траекторий многозвенных манипуляторов;
  3. программное обеспечение для реализации предложенных методов планирования траекторий многозвенных манипуляторов;
  4. методика и результаты исследования работоспособности и эффективности предложенных методов планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов, алгоритмов и программного обеспечения.

Научная новизна:

Новыми являются разработанные и исследованные автором:

  1. Методы планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном трехмерном пространстве с учётом начальной конфигурации на основе:
  • генетического подхода. Новизна предложенного метода состоит в интерпретации генетического подхода для задачи планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в условиях сложного трёхмерного рабочего пространства. В данной интерпретации в отличие от известных работ генетические операторы работают с телесными углами, целевая функция отображает расстояние между окончанием последнего звена манипулятора и целью, а также учитывается проверка на допустимость движения из одной конфигурации в другую без столкновения с препятствиями.
    • комбинирования генетического подхода и метода имитации отжига. Новизна предложенного метода состоит в комбинировании генетического подхода и метода имитации отжига для улучшения эффективности поиска траектории движения;
    • комбинирования генетического подхода и метода репульсивного роя частиц. Новизна предложенного метода состоит в комбинировании генетического подхода и метода репульсивного роя частиц для улучшения эффективности поиска траектории движения;
  1. алгоритмы планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в условиях сложного трехмерного рабочего пространства с учётом начальной конфигурации на основе предложенных методов с использованием:
    • генетического подхода;
    • комбинирования генетического подхода и метода имитации отжига;
    • комбинирования генетического подхода и метода репульсивного роя частиц;
  2. методика оценки качественных и количественных показателей работоспособности и эффективности алгоритмов поиска траекторий в сложном трехмерном рабочем пространстве. Новизна методики состоит в том, что для новой задачи сформулирована методика проверки работоспособности и эффективности по принципу одноцелевого и многоцелевого поиска.

Практическая значимость. Практическую значимость имеют полученные автором следующие результаты:

  1. Реализация предложенных алгоритмов в компьютерной моделирующей среде и программное обеспечение для IBM PC, обладающее средствами визуализации и позволяющее производить исследования работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов;
  2. методика и результаты компьютерного тестирования, позволяющие оценить качественные и количественные показатели эффективности алгоритмов поиска траекторий движения в сложном трехмерном рабочем пространстве;
  3. разработанное программное обеспечение моделирования и планирования траекторий движения многозвенного манипулятора зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Внедрение и связь исследования с научными программами. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 06-08-01180-а “Интеллектуальные методы поиска траекторий многозвенных манипуляторов”, гранта РФФИ № 06-07-89228-а, хоздоговорной темы “Исследование и разработка интеллектуальных технологий поддержки принятия решений и управления”. Основные результаты диссертационной работы используются в виде программного обеспечения в научно-производственной фирме «РД-Технология» и в учебном процессе на кафедре ВМиК УГАТУ.

Апробация и публикации. Основные положения, представленные в диссертационной работе докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на различных международных конференциях, посвященных проблемам моделирования, системам обработки информации и управления, использованию робототехнических систем, в частности, на Международной научно-технической конференции CSIT'05 (Уфа, Ассы, 2005), CSIT’07 (Уфа, Красноусольск 2007), 2-й региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых учёных (Уфа, 2007).

Результаты работы отражены в 16 публикациях. Из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Благодарности. Автор выражает благодарность доценту кафедры ВМК, канд. техн. наук. Г.Р. Шахмаметовой за полезные консультации по вопросам методов и алгоритмов планирования траекторий движения многозвенного манипулятора.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и приложения, иллюстрирующего примеры разработанных манипуляторов в лабораториях различных странах мира. Объем основной части диссертации составляет 108 страниц.





КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность решаемой научной задачи, указывается связь исследований с научными программами, формулируются цель и задачи исследования, перечисляются подходы и методы решения задач, приводятся результаты, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу особенностей многозвенных манипуляторов как объекту исследования, определения места задачи планирования траекторий в общей задаче управления манипулятором, и анализу известных методов планирования траекторий движения. Основной особенностью многозвенных манипуляторов является кинематическая избыточность, которая позволяет повысить гибкость и результативность работы в пространстве с препятствиями, но делает многозвенные манипуляторы сложными для управления объектами как с точки зрения планирования траекторий движения, так с точки зрения их реализации. Применение манипуляторов во многих областях промышленности, медицины, космической техники делают актуальной проблему управления многозвенными манипуляторами в целом и задачу планирования траекторий движения в частности. Рассматриваются примеры многозвенных манипуляторов разработанных в различных лаборатория и университетах мира.

Известные методы планирования траекторий движения многозвенных манипуляторов (метод псевдоинверсии, метод обратных преобразований, метод потенциального поля и др.) дают приемлемые результаты для относительно небольшого числа звеньев. Для большего числа звеньев большим становится объем вычислений, необходимых для расчёта траектории движения манипулятора, т.к. в линейной алгебре доказано, что сложность решения резко возрастает при превышении в системе уравнений числа переменных свыше 6. Кроме того, сложное пространство может содержать большое количество объектов, сильно увеличивающих расход времени на просчет рабочего пространства. К достоинствам можно отнести такие свойства традиционных методов как: обязательное нахождение траектории (если она существует), нахождение оптимальной траектории.

Проводится анализ методов искусственного интеллекта. Проведенный анализ работ в области планирования траекторий движения показывает, что применение методов искусственного интеллекта к поиску траекторий движения многозвенных манипуляторов дает возможность найти приемлемое решение поставленной задачи.

Формируются цели и задачи исследования.

Во второй главе проводится анализ задач кинематики и динамики многозвенного манипулятора, предлагается формальная постановка задачи планирования траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном пространстве. В постановке задачи в отличие от известных работ задаётся условие начальной конфигурации, а также вводится дополнительное ограничение, связанное с допустимостью движения из одной конфигурации в другую; задача рассматривается в трехмерном пространстве.

Пусть заданы С = {}, множество координат узловых точек начальной траектории манипулятора, однозначно определяющих эту траекторию, где k количество узловых точек, координаты цели , максимальный угол поворота звена. Зададим целевую функцию G = f(Z), где Z={} множество координат узловых точек траектории Т манипулятора, G=.

Необходимо найти Z такое, что Gmin при ограничениях, задаваемых системой уравнений

(2.1)

При этом функции L(Z),K(Z),D(Z),V(Z) определены как

L(Z) = { 1, если траектория Т удовлетворяет условию R1;
0, в противоположном случае.
K(Z) = { 1, если траектория Т удовлетворяет условию R2;
0, в противоположном случае.
D(Z) = { 1, если траектория Т удовлетворяет условию R3;
0, в противоположном случае.
V(Z) = { 1, если траектория Т удовлетворяет условию R4;
0, в противоположном случае.
Условия R1,R2,R3,R4 определены в таблице 1. Таблица 1. Значения условий.

R1 Пригодность траектории по непересечению участков траектории друг с другом и с препятствиями.

R2 Пригодность траектории по точности достижения цели: d h, где d расстояние от последней точки траектории до цели, h заданная точность.

R3 Пригодность траектории с точки зрения кинематики манипулятора: -, где угол поворота (i+1)-го участка траектории относительно i-го участка, i=1, n-1.

R4 Пригодность траектории с точки зрения допустимости движения манипулятора из начальной траектории С.


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.