novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.20.236-243novtexmech-614Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSИсследование вопросов управления ориентацией колесного прыгающего робота в полетеStudy of Orientation Control for a Wheeled Jumping Robot in the Flight Phase of MotionЯцунС. Ф.JatsunS. F.

Зав. кафедрой

г. Курск

newteormeh@inbox.ruВорочаеваЛ. Ю.VorochaevaL. Yu.

Доцент

г. Курск

Docent

Corresponding author: Vorochaeva Lyudmila Yu.,  Southwest State University, Kursk, 305040, Russian Federation

mila180888@yandex.ruСавинС. И.SavinS. I.

Старший научный сотрудник 

г. Иннополис

s.savin@innopolis.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationУниверситет ИннополисРоссияInnopolis UniversityRussian Federation201909042019204236243Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20192019Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/614

Работа посвящена исследованию поведения в полете прыгающего робота, состоящего из корпуса, оснащенного колесной платформой, и разгонного модуля, установленного внутри корпуса и позволяющего устройству разгоняться под заданным углом к горизонту до необходимой скорости отрыва от поверхности. Целью проводимого в рамках работы исследования является разработка системы управления колесами устройства, обеспечивающей их вращение в полете для достижения роботом к моменту приземления заданной ориентации, позволяющей ему приземлиться одновременно на передние и задние колеса без опрокидывания. Рассматривается отрыв и приземление на опорную поверхность, описываемую кусочно-линейной функцией, определенной на двух интервалах. На каждом из интервалов эта функция может быть горизонтальной или наклонной. В работе выделены четыре типа поверхностей в зависимости от диапазонов углов их наклона к горизонту; еще одним варьируемым критерием выступает расположение упомянутых выше интервалов — расстояние, на котором линейные поверхности приземления и посадки "сшиваются" (соединяются) между собой. Для проведения исследований разработана кинематическая модель прыгающего робота и динамическая модель его полета, а также предложена система управления, обеспечивающая построение траекторий полета робота в конфигурационном пространстве для осуществления приземления в заданное конечное положение с некоторой точностью и требуемой точностью и заданной ориентацией. Данная проблема решается средствами численной оптимизации и сформулирована как задача квадратичного программирования. В результате численного моделирования установлено влияние трех параметров поверхностей (двух углов наклона и расстояния "сшивки") на время полета робота, угловые скорости вращения колес и обеспечивающие их управляющие моменты приводов при использовании предложенного подхода к управлению устройством. Также выявлено влияние ранее указанных параметров на максимальные и минимальные значения угловых скоростей колес и моментов приводов, достигаемые в процессе движения робота, что может быть использовано при проектировании опытного образца прыгающего робота для задания требований к приводам колесной платформы.

The work studies the flight phase (a part of jumping motion) of a jumping robot. The robot consists of the body with wheeled base and a jump booster module installed in the body. The jump booster module allows the robot to accelerate in a given direction up to a predetermined speed, allowing to control the velocity of the robot at the moment when it breaks contact with the supporting surface. The goal of this study is to develop a control system for the robot’s wheels, allowing to use their inertial properties to control the robot orientation at the moment of landing. This is achieved by controlling the wheels’ orientation throughout the duration of the motion. The goal of controlling the orientation of the robot at the moment of landing is to be able to land on all four wheels and avoid tipping over. The paper studies the supporting surfaces (from which the robot jumps and to which the robot lands) described by piecewise linear functions, including a horizontal and slopped linear sub-functions. In this work, four types of supporting surfaces were distinguished, which the distinction based on the slope of the mentioned about sub-function. Another varying parameter is the point where two sub-functions connect. For the purpose of this study a kinematic and dynamic model of the robot were developed, and a control system design was proposed. The proposed control system includes a trajectory planner that allows to plan the robot’s motion resulting in the desired orientation of the robot’s body at the moment of landing. This problem was formulated as an optimization problem. Simulation results showed the dependencies between the three supporting surface parameters (two angles describing linear sub-functions and the point where the sub-functions intersect) and the duration of the robot flight, the achieved velocities of the robot’s wheels and required motor torques. The influence of those parameters on the maximal and minimal values of the wheels’ angular velocities achieved during the flight were demonstrated. This could be used in designing this type of robots, in particular it could help to set specifications for the robot’s wheel motors.

колесный прыгающий роботуправляемый полетуправление ориентациейтипы поверхностейwheeled jumping robotcontrolled flight phaseorientation controlsupporting surface typesРФФИ (проект № 18-31-00075)RFBR (project No. 18-31-00075)ReferencesDubowsky S., Kesner S., Plante J., Boston P. Hopping mobility concept for search and rescue robots // J. of Industrial Robot. 2008. Vol. 35, N. 3. P. 238—245.Dubowsky S., Kesner S., Plante J., Boston P. Hopping mobility concept for search and rescue robots, J. of Industrial Robot, 2008, vol. 35, no. 3, pp. 238—245.Sayyad A., Seth B., Seshu P. Single-legged hopping robotics research // Robotica. 2007. Vol. 25, N. 5. P. 587—613.Sayyad A., Seth B., Seshu P. Single-legged hopping robotics research, Robotica, 2007, vol. 25, no. 5, pp. 587—613.Kovac M., Schlegel M., Zufferey J.-C., Floreano D. Steerable miniature jumping robot // Autonomous Robots. 2010. Vol. 28. P. 295—306.Kovac M., Schlegel M., Zufferey J.-C., Floreano D. Steerable miniature jumping robot, Autonomous Robots, 2010, vol. 28, pp. 295—306.Stoeter S., Papanikolopoulos N. Kinematic Motion Model for Jumping Scout // Transactions on Robotics and Automation: Proc. of the IEEE. Orlando, 2006. Vol. 22, N. 2. P. 398—403.Stoeter S., Papanikolopoulos N. Kinematic Motion Model for Jumping Scout, Transactions on Robotics and Automation: Proc. of the IEEE, Orlando, 2006, vol. 22, no. 2, pp. 398—403.Akinfiev T., Armada M., Montes H. Vertical Movement of Resonance Hopping Robot with Electric Drive and Simple Control System // Proc. of the MED. Rhodes, Greece, 2003. P. 1—6.Akinfiev T., Armada M., Montes H. Vertical Movement of Resonance Hopping Robot with Electric Drive and Simple Control System, Proc. of the MED, Rhodes, Greece, 2003, pp. 1—6.Яцун С. Ф., Волкова Л. Ю., Ворочаев А. В. Исследование движения многозвенного робота, перемещающегося прыжками и планированием // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № S4. С. 12—17.Jatsun S. F., Volkova L. Yu., Vorochaev A. V. Issledovanie dvizheniya mnogozvennogo robota, peremeshchayushchegosya pryzhkami i planirovaniem(Investigation of movement of multi-link robot moving with jumps and planning), Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal s prilozheniem, 2014, no. S4, pp. 12—17 (in Russian).Кovac M. Вioinspired jumping locomotion for miniature robotics: Ph.D. dissertation. Ecole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne, 2010. 194 р.Кovac M. Вioinspired jumping locomotion for miniature robotics: Ph.D. dissertation. Ecole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne, 2010, 194 р.Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Обоснование и выбор схемы колесной прыгающей мониторинговой платформы // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 5 (66). С. 40—50.Vorochaeva L. Yu., Malchikov A. V., Savin S. I. Obosnovanie i vybor skhemy kolesnoj prygayushchej monitoringovoj platformy (Justification and choice of the scheme of the wheeled jumping monitoring platform), Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2018, no. 5 (66), pp. 40—50 (in Russian).Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Определение диапазонов допустимых значений геометрических параметров колесного прыгающего робота // Известия ЮЗГУ. 2018. Т. 22, № 1(76). С. 76—84.Vorochaeva L. Yu., Malchikov A. V., Savin S. I. Opredelenie diapazonov dopustimyh znachenij geometricheskih parametrov kolesnogo prygayushchego robota(Ranges of admissible values of geometric parameters of a wheeled jumping robot), Izvestiya YUZGU, 2018, vol. 22, no. 1(76), pp. 76—84 (in Russian).Ворочаева Л. Ю., Мальчиков А. В., Савин С. И. Конструктивные особенности и классификация прыгающих роботов // Cloud of science. 2018. Т. 5, № 3. С. 473—497.Vorochaeva L. Yu., Malchikov A. V., Savin S. I. Konstruktivnye osobennosti i klassifikaciya prygayushchih robotov (Design features and classification of jumping robots), Cloud of science, 2018, vol. 5, no. 3, pp. 473—497 (in Russian).Никитин Г. А., Баканов Е. А. Основы авиации: учебник для вузов гражданской авиации. М.: Транспорт, 1984. 261 с.Nikitin G. A., Bakanov E. A. Osnovy aviacii (The fundamentals of aviation): uchebnik dlya vuzov grazhdanskoj aviacii, Moscow, Transport, 1984, 261 p. (in Russian).Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of iterative LQR and adaptive PD controllers for a lower limb exoskeleton // In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER): IEEE Intern. Conf. Chengdu, China, 2016. Р. 239—244.Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of iterative LQR and adaptive PD controllers for a lower limb exoskeleton, In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER): IEEE Intern. Conf., Chengdu, China, 2016, pp. 239—244.Posa M., Cantu C., Tedrake R. A direct method for trajectory optimization of rigid bodies through contact // Intern. J. of Robotics Research. 2014. Vol. 33, N. 1. P. 69—81.Posa M., Cantu C., Tedrake R. A direct method for trajectory optimization of rigid bodies through contact, Intern. J. of Robotics Research, 2014, vol. 33, no. 1, pp. 69—81.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.