Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014— 2020 годы» Соглашение: № 14. 577. 21. 0136 от 24 ноября 2014 на период 2014 - 2016 гг. Тема: «Разработка универсального захватывающего устройства антропоморфного типа для выполнения контактных операций с повышенной точностью и надежностью» Руководитель проекта: Начальник УНИР, д. ф-м. н. , проф. Скворцов Аркадий Алексеевич Информационно-телекоммуникационные системы
Участники проекта: Исполнитель Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения) Коллектив исследователей и разработчиков проекта обладает многолетним опытом в области создания машин и конструкций, персональной и промышленной робототехники, автоматизированных систем управления сложными системами, разработки систем технического зрения для роботов, распознавания образов. Рабочая группа проекта: Скворцов Аркадий Алексеевич Должность: Начальник УНИР, д. ф-м. н. , проф. Роль в проекте: научный руководитель проекта, ответственный за направления в рамках проекта «Механика захватывающего устройства антропоморфного типа» и «Конструктивнокомпоновочные решения антропоморфного захвата» Боронников Дмитрий Анатольевич Должность: Начальник информационноаналитического отдела УНИР Университета машиностроения Роль в проекте: нормоконтроль, разработка технической документации (ЭКД и Пр. Д) Соглашение №<номер> Колтунов Игорь Ильич Должность: Главный ученый секретарь, зав. кафедрой «Информационные системы и технологии» , д. т. н. , проф. Роль в проекте: ответственный за реализацию направления «информационно-измерительные системы антропоморфного захвата» Посельский Иван Александрович Должность: с. н. с. УНИР Университета машиностроения Роль в проекте: ответственный исполнитель (оперативное управление задачами и админирстрирование проекта, контроль исполнения проекта со стороны Исполнителя, - Индустриальным партнером, участником Консорциума (соисполнителем)) Кречетов Иван Владимирович Должность: с. н. с. УНИР Университета машиностроения Роль в проекте: ответственный за взаимодействие с Индустриальным партнером и локальное направление в рамках проекта «Системы управления антропоморфным захватом» ФЦП ИР 2014 -2020 2
Участники проекта: Исполнитель Задел Исполнителя: выполненные прикладные научные исследования и инженерные работы в контексте тематики проекта 1. Разработка системы управления манипулятором робота с 6 -ю степенями свободы и 17 -ю степенями свободы (двурукий манипулятор) 2. Разработка механических конструкций миниатюрных двуногого и четвероногого роботов, изготовление деталей на станке с ЧПУ, сборка и настройку роботов. 3. Разработка, трассировка, изготовление, пайка и настройка печатных плат нескольких электронных устройств на базе микроконтроллеров и ЦСП. 4. Производство пластиковых деталей на компактном термопласт-автомате. 5. Разработка принципиальной схемы клеточного нейрочипа на ПЛИС для обработки изображений. Производственная база и ресурсы Профильные кафедры: Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» Кафедра «Информационные системы и технологии» Кафедра «Техническая механика» Проектное обучение: Привлечение студентов старших курсов профильных кафедр КБ «Формула Студент» Конструкторское бюро с новым производственным оборудованием Научные лаборатории и инженерные бюро Лаборатория получения материалов Студенческое конструкторское бюро Ресурсы научнотехнических центров: НТЦ «Спецтехника» НТЦ «Новые технологии машиностроения» НТЦ «Оптоэлектроника» Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 3
Участники проекта: Исполнитель Структура управления проектом Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 4
Участники проекта: Индустриальный партнер: Компания «РУ. Роботикс» существует с 2010 года и является разработчиком робототехнических систем, проводит исследования в области персональной робототехники, антропоморфных захватов и манипуляторов, разработки систем удалённого присутствия, специализируется в разработке встраиваемых вычислительных модулей и разработке программного обеспечения для робототехники, имеет в своём распоряжении производственное и контрольноизмерительное оборудование. Внебюджетные средства: Индустриальный партнер обеспечивает 100% внебюджетных средств в сумме 32, 4 млн руб. Задел (прикладные разработки): - Прототип встраиваемой бортовой системы и программное обеспечение для робота Hyperbok - Высокопроизводительная корреляционная обработка сигналов с использованием DSP/GPU - Программная оптимизация поверхности зеркала телескопа РТ-70 - Программное обеспечение и прототип стереосенсора глубины реального времени - Встраиваемое программное обеспечение для управления узлами дистанционно управляемого антропоморфного роботааватара (СТАРТ-2012, Фонд содействия развитию малых форм предприятий) - Прототип бесконтактной системы захвата движений оператора Соглашение №<номер> Рабочая группа проекта со стороны Индустриального партнера Лавриков Павел Сергеевич Должность: Генеральный директор Роль в проекте: Руководитель проекта со стороны Индустриального партнера, конструктор, отвечает за конструктивнокомпоновочные решения по работам за ВБС Пантюхин Дмитрий Валерьевич Должность: Ведущий инженер, работает по совместительству в МФТИ, преподаватель Роль в проекте: Разработка программного обеспечения, нормоконтроль работ за ВБС Воронков Илья Михайлович Должность: ведущий программист Роль в проекте: разработка программного обеспечения СТЗ и МЗШ в составе стенда - Прототип системы теле присутствия (удалённая передача команд управления, захват видео, аппаратное сжатие и трансляция в реальном времени посредством Интернет) - Нелинейный регулятор для управления сервоприводом на базе бесколлекторного электромотора ФЦП ИР 2014 -2020 5
Участники проекта: Индустриальный партнер Ключевые работы, выполняемые Индустриальным партнером № этапа Выполняемые работы за ВБС 1 этап, 2014 г. 1. Доработка управляемого многозвенного штатива (МЗШ) с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда 2 этап, 1 -я половина 2015 г. 1. Доработка системы технического зрения (СТЗ) на базе стереоскопического сенсора глубины для автоматического распознавания типа захватываемого предмета с целью обеспечения необходимого функционала для работы испытательного стенда 3 этап, 2 -я половина 2015 г. 1. Доработка ТЗ на экспериментальный образец роботизированного бионического протеза верхних конечностей человека (ЭО БП) для использования в качестве искусственной кисти на основе технических решений ЭО АМЗ 1. Проведение экспериментальных исследований ЭО БП в соответствии с разработанной Программой и методиками экспериментальных испытаний (ПМЭИ БП) Доработка роботизированной кисти для использования в составе ЭО БП. 4 этап, 1 -я половина 2016 г. 5 этап, 2 -я половина 2016 г. 1. Разработка подходов к управлению бионическим протезом Соглашение №<номер> Рабочий диапазон МЗШ по азимуту. Рабочий диапазон МЗШ по углу места. Сведение оптических осей камер Внешний вид части ИС, разрабатываемого за счет ВБС в Внешний вид ползунка и рамкисборе держателя. ФЦП ИР 2014 -2020 6
Участники проекта: участник Консорциума Участник Консорциума (соисполнитель): Научнопроизводственная Группа «Традиция» (http: //www. tradition. ru/ ) стоит у истоков формирования российского рынка инфокоммуникаций и остается одним из его лидеров на протяжении уже более 15 лет. «Традиция» является разработчиком и поставщиком новых и надежных информационных и управленческих технологий, а также решений в области комплексной безопасности на российском рынке. История компании началась с фирмы «СОГЛАСИЕ» , основанной в 1990 году группой программистов и инженеровсистемотехников из Вычислительного Центра АН СССР. Компания входит в Топ-50 рейтинга «Тех. Успех» 2015, созданного Ассоциацией инновационных регионов России (АИРР), куда входят лучшие российские инновационные компании. Выполняемые работы: 1. Разработка визуализации математических моделей в среде трёхмерной визуализации: 1. 1. Импорт 3 D твердотельных моделей в среду визуализации. 1. 2. Описание кинематических связей между отдельными элементами. 1. 3. Разработка пользовательского интерфейса 1. 4. Разработка протокола взаимодействия с математическими моделями (MATLAB). 1. 5. Разработка конструкторской документации 2. Разработка технической (программной) документации Соглашение №<номер> Рабочая группа проекта со стороны участника Консорциума Панфилов Антон Владимирович Должность в компании: генеральный директор Роль в проекте: руководитель проекта со стороны участник Консорциума. Душинов Евгений Сергеевич Должность: системный инженерэлектронщик (более 20 лет в ИТ, разработка электроники и систем связи). Роль в проекте: Разработка визуализации математических моделей в среде трёхмерной визуализации ROS Воронков Илья Михайлович Должность: ведущий программист Роль в проекте: разработка прикладного программного обеспечения ЭО АМЗ, разработка технической документации ФЦП ИР 2014 -2020 7
Цели и задачи проекта Цель проекта: Разработка программно-аппаратных технических решений в области создания универсального захватывающего устройства с элементами антропоморфной структуры. Задачи проекта: 1) Исследование и разработка конструктивно-компоновочных решений захватывающего устройства антропоморфного типа; 2) Исследование и разработка информационно-измерительных систем захватывающего устройства антропоморфного типа; 3) Исследование и разработка систем управления захватывающего устройства антропоморфного типа. Назначение результатов проекта: Разрабатываемые научно-технические решения предназначены для широкого применения в составе перспективных робототехнических комплексов в условиях естественной окружающей среды, путем обеспечения их универсальными антропоморфными захватами, способными захватывать, удерживать и манипулировать предметами произвольной геометрической формы. Объекты исследования: а) способы конструирования адаптивного многозвенного модуля (одиночного захвата «пальца» ); б) способы компоновки универсального захватывающего устройства антропоморфного типа; в) методы построения систем автоматического управления элементами захвата в целом; г) методы построения сенсорных систем обратной связи для очувствления захвата; д) методы управления приводами исполнительных групп поворотных звеньев на базе адаптивности усилий развиваемых на захватываемом объекте; е) методы управления захватом Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 8
Ожидаемые результаты проекта: предполагаемый облик антропоморфного захвата Принцип построения и передачи движения исполнительным звеньям: выбран вариант с размещением приводов вне конструкции кисти захвата. Приводы исполнительных групп звеньев: выбраны сервоприводы на основе бесколлекторных электродвигателей. Средства передачи движения исполнительным группам звеньев: выбраны гибкие тяги на основе плетёных полиэтиленовых нитей с использованием антагонистической схемы построения. Управление поворотными звеньями: усовершенствованный способ передачи движения посредством искусственных сухожилий. Сенсорная система обратной связи: 1) цифровые магнитные угловые датчики Холла; 2) тактильные сенсоры с использованием резистивных технологий: технология POSFET Для измерения развиваемого момента приводами исполнительных звеньев: датчик натяжения искусственного сухожилия, дополнительно устанавливаемого в конструкцию привода передачи движения исполнительным звеньям. Основа для построения алгоритмов управления приводами исполнительных групп звеньев: выбрано комбинированное решение с использованием линейного ПИД-регулятора и аппарата искусственных нейронных сетей. В качестве архитектур нейронных сетей для дальнейших исследований систем управления выбраны: многослойные нейронные сети с обратными связями и нейронные сети радиально-базисных функций. В качестве основы для построения алгоритмов управления захватом выбраны три решения, которые позволят производить поэтапную разработку системы управления захватом переходя от простого к сложному: 1) режим копирования движений посредством захвата движений оператора; 2) синтез фиксированного набора паттернов для захвата ограниченного класса предметов известной формы с контролем усилия сжатия; 3) адаптивный синтез команд управления захватом с использованием тактильной сенсорной информации. Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 9
Ожидаемые результаты проекта: сравнение с аналогами Характери ЭО АМЗ сти-ка DLR Hand II SCHUNK Anthropomorphi c Hand Встроенные приводы в сустав Низкое усилие сжатия. Применим в качестве бионического сустава Shadow C 6 M Smart Motor Hand Антагонистическ ая схема Airic’s arm компании Festo Сравнение Антагонистическая схема У всех манипуляторов захвата используется схема размещения вне констукции кисти с передачей движений с помощью искусственных сухожилий Тип привода сустава Антагонистическ кая схема Приводы суставов Бесколлекторн Электродвигател Искусственные ый ь ь ь мускулы электродвигате ль (ограниченное количество степеней () свободы, сложная система позиционирования) + + + Матричные (Измерение Точечные (нет, только сенсоры на развиваемого сенсоры механическая дистальных усилия косвенно на дистальных констукция) фалангах и по мат. модели фалангах поверхности кинематики) ладони (Могут быть заменены нас сторонние тактильные сенсоры Bio. Tac) Тактильн ые сенсоры Соглашение №<номер> Используемые бесколлекторные электродвигатели обеспечивают большую энергоэффективность при той же массе Используется материал QTC – композит квантового туннелирования, очень чувствительный к давлению полимер, разрешение сенсора 2 мм, количество элементов – 5*5 (25 штук). ФЦП ИР 2014 -2020 10
Ожидаемые результаты проекта: сравнение с аналогами Характер исти-ка ЭО АМЗ DLR Hand II Угловые сенсоры + (разреше ние 0. 088 градуса) Регулиру емая жесткость сустава Интегрир ованная система управлен ия захватом предмето в + (измерение угловового положения за счёт измерения линейного перемещения искусственного сухожилия (Большая сложность при первичной настройке и юстировке) + - + (да, с контроле м развивае мого давлени я) (только регуляторы управления положением отдельных суставов) Соглашение №<номер> SCHUNK Anthropom orphic Hand + Shadow C 6 M Smart Motor Hand + (разрешени е 0. 2 градуса) Airic’s arm компании Festo - Сравнение Используются цифровые 12 -битные датчики Холла, устанавливаемые внутри шарниров суставов При антагонистической схеме использование искусственных сухожилий с добавлением эластомера позволяет контролировать величину жесткости передачи Для захвата предметов используется (только предварительно выбранный паттерн. При регуляторы встречном движении исполнительных групп управления звеньев на основе анализа данных тактильных и положение угловых сенсоров осуществляется синхронизация м м м и контроль скоростей смыкания объекта в захвате отдельных для обеспечения одновременного обхватывания. суставов) Данных режим работает как в режиме автоматического схватывания, так и в режиме телеуправления оператором для упрваления мелкой моторикой ЭО АМЗ. ФЦП ИР 2014 -2020 11
Ожидаемые результаты проекта: сравнение с аналогами Характер исти-ка ЭО АМЗ DLR Hand II Количест во степеней свободы всего/упр авляемых 22/18 каждый из 4 х пальцев (4/3)– сгибание первой и второй фаланги, третья – зависимая со второй, отклонение пальца в бок большой палец – всё как у человека – 4/4 степени поворот кисти – 2/2 Соглашение №<номер> SCHUNK Anthropomorph ic Hand Shadow C 6 M Smart Motor Hand Airic’s arm компании Festo Сравнение 18/9 22/22 Пневмомышцы (несравнимое решение) В результате исследования эффективности захвата предметов с учётом ограничений на массу ЭО АМЗ была разработана кинематическая схема с 22 степенями подвижности (при 18 степенях свободы) ФЦП ИР 2014 -2020 12
Результаты работ, полученные в 2015 г. к настоящему моменту: 1. Разработана математическая модель кинематики и динамики антропоморфного захвата с 18 -тью управляемыми степенями свободы 2. Разработана математическая модель системы управления электроприводами звеньев захвата 3. Разработаны алгоритмы и прогр. обеспечение управления приводами звеньев на базе адаптивности усилий на захватываемом объекте. 4. Разработаны алгоритмы и прогр. обеспечение управления захватом с контролем распределенного давления на их рабочих поверхностях 5. Разработана эскизная конструкторская и программная документация на электронные модули управления захватом 6. Разработана эскизная конструкторская документация на конструкцию антропоморфного захвата с 18 -тью степенями свободы Предполагаемые технические характеристики роботизированной кисти: - Количество степеней свободы/ управляемых – 22/18 - Количество приводов – 18 - Разрешающая способность тактильных сенсоров – 2 мм - Усилие одного пальца – не менее 30 Н. - Для оценки эффективности использована метрика качества (Grasp. It!). Показана эффективность удержания предметов на уровне выше ведущих мировых аналогов, что обеспечивается за счёт оптимизации кинематики дистальных фаланг. - Траектории движения суставов аппроксимируются полиномами 3 -4 -5 и 4 -5 -6 -7 степеней. Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 13
Результаты работ, полученные в 2015 г. : паттерны захвата: Для моделирования захвата предметов и исследования кинематики захвата использованы 8 наиболее репрезентативных вариантов (паттернов) захвата предметов, являются де-факто стандартными и используется при исследовании функциональных качеств систем управления биопротезами и антропоморфными захватами: 1) силовой захват всеми пятью пальцами. При силовом захвате все пять пальцев руки сгибаются к центру ладони так, что их траектории движения образовывают очертания сферы. 2) Плоский ладонный захват (вариант 1). Сгибание четырёх пальцев ладони производится так, что они образуют плоскость, навстречу им происходит сгибание большого пальца так, что движение указательного и большого пальца происходит в одной плоскости. 3) Плоский ладонный захват (вариант 2). Сгибание четырёх пальцев ладони производится так, что они образуют плоскость, навстречу им происходит сгибание большого пальца так, что движение среднего и большого пальца происходит в одной плоскости. 4) Цилиндрический ладонный захват (варианты 1 и 2). Сгибание четырёх пальцев ладони производится так, что они образуют боковую поверхность цилиндра, навстречу им происходит сгибание большого пальцев так, что движение среднего и большого пальца происходит в одной плоскости; в другом варианте движение указательного и большого пальцев происходит в одной плоскости. 5) Захват тремя пальцами. Данный захват обеспечивается одновременным встречным движением среднего, указательного и большого пальцев. 6) Прецизионный захват (варианты 1 и 2). Указательный палец смыкается с противопоставленным большим пальцем, при этом остальные пальцы сохраняют исходное состояние; в другом варианте происходит смыкание среднего и большого пальцев. Процедуру захвата предмета можно разделить на несколько фаз: 1) формирование паттерна исходного положения; 2) предзахват, размещение захватной головки около предмета; 3) непосредственный захват. Для стадии предзахвата могут быть введены следующие геометрические закономерности: 1) геометрический центр объекта захвата совпадает с геометрическим центром, образованным конечной стадией паттерна захвата; 2) плоскость ладони расположена параллельно ребру параллелепипеда, ограничивающего трехмерную модель объекта захвата; 3) количество пальцев, участвующих в паттерне движения определяется взаимным соотношением между размером ладони и габаритами объекта. Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 14
Перспективы практического использования Разрабатываемые программно-аппаратные технические решения должны стать основой для создания новых образцов продукции, используемых в следующих сферах: Установка на мобильные робототехнические комплексы для удаленного выполнения сложных контактных операций Для использования в сфере реабилитационной медицины в качестве основы для создания биопротезов верхних конечностей человека Использование в промышленности для автоматизации сборочных и контактных операций Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 15
Состояние выполнения запланированных индикаторов № п/п Наименование Единица измерения Значения по проекту ВСЕГО Значения на текущий год Запл Факти Заплан анир чески ировано достиг о на дости нуто текущ гнуть ий год Достигнуто за 3 этап Достигнуто итого за текущий год Достигнуто за текущий год Индикаторы 1 Достигнуто за 3 этап Число публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) единиц 4 2 2 2 Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок единиц 2 1 1 3 Доля исследователей в возрасте до 39 лет в процент общей численности исследователей - участников ы проекта Объем привлеченных внебюджетных средств млн. руб. 32, 1 17, 9 40, 0 55, 0 9, 0 4, 5 4 Показатели 1 Средний возраст исследователей – участников лет проекта, не более 2 Количество мероприятий по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки, в которых приняла участие и представила единиц результаты проекта организация - исполнитель проекта Соглашение №<номер> - - 43, 0 3 1 1 ФЦП ИР 2014 -2020 16
Состояние выполнения запланированных индикаторов: достигнутые на данный момент Поданные патентные заявки На Этапе 3 ПНИ подана патентная заявка по теме «Программа управления приводами исполнительных групп звеньев на базе адаптивности усилий, развиваемых антропоморфным захватом на захватываемом объекте» . Получено Письмо с отметкой ФИПС. Свидетельство регистрации программы ЭВМ планируется к получению в начале декабря 2015 г. Авторы: Кречетов Иван Владимирович, Скворцов Аркадий Алексеевич, Семака Вадим Юрьевич На Этапе 2 было предварительно подготовлено содержание документов для заявки на Программу для ЭВМ в составе: 1) Форма РП; 2) Реферат; 3) Идентифицирующие материалы в форме распечатки исходного текста программы для ЭВМ. 4) Оплачена пошлина Опубликованные статьи 1. Журнал: American Journal of Applied Sciences Название статьи: 1) «Разработка антропоморфного манипулятора захвата - анализ методов реализации» ( «Development of an anthropomorphic handling gripping manipulator: the analysis of implementation methods» ); Авторы: Ivan Vladimirovich Krechetov, Arkady Alekseevich Skvortsov and Pavel Sergeevich Lavrikov 2. Журнал: American Journal of Applied Sciences Название статьи: «Разработка антропоморфного манипулятора захвата исследование кинематики и виртуальное моделирование захвата» ( «Development of an anthropomorphic gripping manipulator: the study of kinematics and virtual modeling of grip» ). Авторы: Ivan Vladimirovich Krechetov, Arkady Alekseevich Skvortsov and Pavel Sergeevich Lavrikov Участие в мероприятиях 1. Форум «Открытые Инновации» 28 октября – 1 ноября, 2015 Москва, ВДНХ, Доклад 2. International robot exhibition 2015 (i. REX-2015) – 2 - 5 декабря 2015 г. , Токио, Япония, Презентация проекта Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 17
Спасибо за внимание! Докладчик: с. н. с. УНИР Университета машиностроения, Посельский И. А. Соглашение №<номер> ФЦП ИР 2014 -2020 18
Скачать презентацию Федеральная целевая программа Исследования и разработки по приоритетным
ca8b7c9f5d8dc7adb4302829d2dbf4e2.ppt