Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системамиНИР

Control problems of robotics and biomechatronics systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Разработаны новые законы управления некоторыми мехатронными системами, в том числе, так называемым роботом-шаром. Разработана новая конструкция пассивного экзоскелетона. Применив теорию баллистических движений, удалось показать, что при использовании экзоскелетона человек затрачивает меньше энергии при переноске груза, нежели без его использования. Проведены исследования, направленные на восстановление возможности передвижения на ногах человека, у которого нарушены функции опорно-двигательного аппарата. На такого больного, например, инвалида-колясочника, можно надеть экзоскелетон, в суставах которого смонтированы электроприводы. Путем решения обратной задачи динамики найдены моменты, которые должны развивать такие приводы для того, чтобы организовать ходьбу больного. Разработана динамическая модель движения в сагиттальной плоскости для экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с человеком-оператором, с учетом его опоры на жесткие невесомые костыли. В модели учитена также динамика электроприводов. Аналитически построен закон управления экзоскелетом, обеспечивающий движение тазобедренного и коленного шарниров в соответствии с желаемым режимом. Представлены результаты численного моделирования уравнений движения человека в экзоскелете, исследована точность управления. Разработана математическая модель человека, балансирующего на качелях типа пресс-папье. Модель представляет собой однозвенный маятник, шарнирно прикрепленный к качелям. Управлением является ограниченный по абсолютной величине момент, приложенный в "голеностопном" суставе. Построен закон управления, при котором область притяжения неустойчивого состояния равновесия маятника (человека) является максимально возможной.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Разработана новая конструкция мобильного робота - "робота-шара" и послана заявка на изобретение в Федеральную службу по интеллектуальной собственности (Роспатент). Исследовано поведение области достижимости автономной управляемой системы третьего порядка с изменением времени. Показано, что структура границы области зависит от разности между действительным собственным значением и действительной частью комплексно-сопряженных. C ростом времени граница области достижимости, будучи негладкой, в одних случаях «постепенно разглаживается», в других – остается такой же «негладкой». Опубликована статья в журнале "Прикладная математика и механика". На основе баллистических движений двуногого механизма со стопами получены оценки затрат энергии при переноске тяжелого груза человеком без экзоскелета и облаченным в экзоскелет. Показано, что затраты энергии человеком, облаченным в экзоскелет, меньше, нежели человеком без экзоскелета. Опубликована статья на английском языке в журнале с высоким импакт-фактором. Построена динамическая модель движения в сагиттальной плоскости экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с человеком-оператором. Модель учитывает динамику электроприводов, помогающих процессу ходьбы. В случае одноопорной ходьбы построен закон управления экзоскелетом, обеспечивающий желаемое движение тазобедренного и коленного суставов. Представлены результаты численного моделирования уравнений движения человека в экзоскелете. Предполагается разработать новую конструкцию мобильного робота - «робота-шара». Предполагается проанализировать изменение с ростом времени структуры областей достижимости управляемых систем третьего порядка. Путем построения на основе баллистических движений ходьбы двуногого механизма со стопами предполагается показать теоретически, что при использовании экзоскелетона сокращается количество энергии, затрачиваемой человеком на переноску грузов. Предполагается разработать новые алгоритмы управления экзоскелетоном нижних конечностей с электроприводами.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: В 2018-м году построена математическая модель продольного движения сферического "робота-шара" (Формальский А.М., Селюцкий Ю.Д.). При помощи этой модели найдено управление "троганием" робота с места, при использовании которого удается избежать возбуждения нежелательных колебаний шара на старте и в установившемся режиме. В 2017-2018 гг. разработан новый мобильный робот-тележка и послана заявка на изобретение в Федеральную службу по интеллектуальной собственности (Роспатент) (Симоненко М.М., Сыроватский Д.А., ФормальскийА.М., Утешев А.В.). Получено положительное решение на посланную в 2017 г. в Роспатент заявку на новую конструкцию "робота-шара". В 2018 г. изучена структура областей достижимости при ограниченном по импульсу управляющем воздействии (Бугров Д.И., Формальский А.М.). В трехмерном пространстве построены области достижимости для некоторых конкретных систем. Граница этих областей содержит угловые точки, ребра и плоские участки, т.е. не является гладкой. В 2016-17 гг. исследовано поведение области достижимости автономной управляемой системы третьего порядка с изменением времени (Бугров Д.И., Формальский А.М.). Показано, что структура границы области зависит от разности между действительным собственным значением и действительной частью комплексно-сопряженных. C ростом времени граница области достижимости, будучи негладкой, в одних случаях «постепенно разглаживается», в других – остается такой же «негладкой». Опубликована статья в журнале "Прикладная математика и механика". В 2016-18 гг. показано теоретически, что человек, облаченный в экзоскелетон, затрачивает меньше энергии при переноске грузов, нежели человек, не использующий экзоскелетон. Исследования построены на основе теории баллистических движений антропоморфного механизма со стопами (Aoustin Y., Формальский А.М.). В 2016 г. разработана новая конструкция пассивного экзоскелетона. В 2016-17 гг. построена динамическая модель движения в сагиттальной плоскости экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с человеком-оператором. Модель учитывает динамику электроприводов, помогающих процессу ходьбы. В случае одноопорной ходьбы построен закон управления экзоскелетом, обеспечивающий желаемое движение тазобедренного и коленного суставов. Представлены результаты численного моделирования уравнений движения человека в экзоскелете (Лавровский Э.К., Письменная Е.В.).
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Создана система дистанционного управления робототехническим устройством «робот-шар» (Буданов В.М., Утешев А.В.) Получены два патента на изобретения «робот-шар» и «робот-тележка» (Формальский А.М.,Утешев А.В.) В 2019 г. работы были представлены докладами на конференциях: XII съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Формальский А.М. - 2 доклада, Лавровский Э.К.- 1 доклад, Буданов В.М. - 1 доклад); Международная конференция по нелинейной механике (International Conference on Nonlinear Solid Mechanics), 16-19 июня 2019, Рим, Италия (Формальский А.М. - 1 доклад); Ломоносовские чтения (Формальский А.М. - 1 доклад, Лавровский Э.К.- 1 доклад, Буданов В.М. - 2 доклада); Конференция, посвященная 80-летию В.А.Садовничего (Формальский А.М. - 1 доклад); Международная научная конференция "Фундаментальные и прикладные задачи механики", посвященная 100-летию со дня рождения академика К.С.Колесникова (Формальский А.М. - 1 доклад, Буданов В.М. - 1 доклад). Подготовлена новая редакция задач «Параметрический резонанс» и «Маятник с маховиком», которые опубликованы в сборнике «Спецпрактикум по теоретической и прикладной механике».(Формальский А.М., Буданов В.М.) К выполнению работ в рамках НИР привлекались студенты мех-мат. ф-та МГУ под руководством: Буданов В.М.(2 дипломные, 3 курсовые); Формальский А.М.(1 дипломная, 1 курсовая).
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Модернизирован действующий макет сферического робота, построена система супервизорного (с оператором) управления движением робота (Буданов В.М., Утешев А.В.). Построена математическая модель пространственного движения сферического робота, проведены первые "испытания" этой модели (Буданов В.М., аспирант Нор Н.). Проведена доработка пассивного экзоскелета, коленные суставы оснащены электроприводами и построена система управления ими, использующая силовую обратную связь. Проведены испытания этого нового экзоскелета, которые показали, что человек, облаченный в такой экзоскелет, затрачивает на переноску грузов меньше усилий, нежели при использовании пассивного экзоскелета. Новый экзоскелет демонстрировался на выставке "Армия 2020" (Буданов В.М.) в составе экспозиции ЦНИИТочмаш (РосТех). Экзоскелет дополняет современную экипировку "Ратник" и уменьшает нагрузку бойца при переносе груза, особенно при движении по неровной поверхности. Экспонат вызвал интерес специалистов и СМИ , в том числе зарубежных. Ссылки на некоторые из публикаций в СМИ: https://www.militarynews.ru/story.asp?rid=1&nid=537006&lang=RU https://www.youtube.com/watch?v=OkOgjX3w1SY ДумаТВ 01.10.2020 https://www.defense.gouv.fr/fre/ema/sitta/a-la-une/army-2020/article-army-2020. Рассмотрена плоская модель движения пассивного экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с аналогичной моделью человека-оператора, определяющего движение всей конструкции. Изучены энергетические затраты и пиковые значения управляющих моментов, которые человек-оператор прилагает в процессе перемещения экзоскелета на некоторых типах регулярных, плоских, одноопорных походок. Полученные результаты позволяют оценить эффективность режима запирания-освобождения коленного сустава. Результаты опубликованы в статье Лавровского Э.К., Письменной Е.В. «О походках оператора в пассивном экзоскелете нижних конечностей при использовании режима закрепленного колена» в журнале «Механика, автоматика, управление». Построена стратегия управления, которую, возможно, использует человек, раскачивающий качели, сидя на них. Эта стратегия представляет собой совокупность обратных связей, на основе которых происходит управление сгибанием и разгибанием ног путём приложения моментов в коленных суставах, а также корпуса путём приложения моментов в тазобедренных суставах. В журнале "Изв. РАН. Теория и системы управления" опубликована статья (Климина Л.А., Формальский А.М.). В «Российском журнале биомеханики» опубликована статья Лавровского Э.К. «Задача управления движением «гимнаста» в свободном полете и при переходе в режим контакта с опорой», в которой с теоретико-механических позиций обсуждаются некоторые аспекты соскока «гимнаста» - спортсмена (или робота - «гимнаста») с «перекладины». Рассматриваются все фазы соскока в плоском случае. Тело «гимнаста» моделируется на разных этапах соскока - отпускания «рук», свободный полет, выход «ногами» на опору - либо трехзвенным, либо двузвенным маятником. Для каждой из фаз движения найдены удобные формы описывающих ее динамических уравнений, прежде всего, это компоненты вектора кинетического момента системы относительно различных точек тела или пространства. Рассматривается методика построения стабилизирующего управления. Результаты представленного анализа задачи позволяют построить удобную приближенную модель явления в целом, а также использовать ее при управлении роботизированным аналогом. Проведено исследование линейной стационарной управляемой системы третьего порядка, представляющей собой так называемый "тройной интегратор". Проекция области достижимости этой системы на плоскость сравнивается с областью достижимости системы второго порядка, представляющей собой так называемый "двойной интегратор". В журнале "Вестник МГУ, серия математика и механика" опубликована статья (Бугров Д.И., Формальский А.М.). Был организован полигон для дистанционного проведения соревнований по робототехнике, с его использованием проведен ряд мероприятий, в частности, финал Олимпиады НТИ для школьников в дистанционном формате и международные соревнования в формате “World Skills” по направлению «Сервисная робототехника». (Сюжет на ВГТРК в программе “Вести” https://www.vesti.ru/video/2240043?fbclid=IwAR0aIrV3PeHnRY-tpl2Rv_yZEkYBLPeWg06P_Kr0oOk-4li8lfHRsoMJZHs )
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа:
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".