Разработка пары антропоморфных роботизированных манипуляторов для решения совместных задач

Представлено описание антропоморфного роботизированного комплекса, состоящего из корпуса и двух роботизированных манипуляторов, предназначенных для решения совместных задач. Данный комплекс может быть использован в учебных и исследовательских целях для создания и апробации алгоритмов управления антропоморфными роботами. Для решения обратной задачи кинематики используется метод адаптивной дифференциальной эволюции, что соответствует современным подходам к решению поставленной задачи. Использование данного метода облегчает нахождение оптимального решения при меньших затратах на вычисления по сравнению с аналитическими и численными методами и обеспечивает реалистичное и точное движение. Для динамического анализа роботизированного комплекса используется рекурсивный метод Ньютона-Эйлера. Далее подбираются приводы и анализируются напряжения для оценки структурной целостности робота и его способности выдерживать значительные нагрузки. Для обеспечения способности робота выполнять перемещение в пространстве и координации при выполнении задач используется метод нечеткого управления с бэкстеппингом. Выбор данного метода обусловлен устойчивостью к неопределенностям, нелинейностям и внешним возмущениям. Для предотвращения столкновений используется метод локализации пересечения эллипсоидов. Выбранные методы эффективны для предсказания движений суставов, необходимых для достижения желаемых положений и предотвращения столкновений. Описание разработки кистей робота будет представлено в отдельной работе. Представленный робототехнический комплекс может быть использован для выполнения задач в ситуациях, опасных для человека, а также для задач технического обслуживания.

1. Behnke S. Humanoid robots: From fiction to reality?, KunstlicheIntelligenz, 2008, vol. 22, no. 4, pp. 5—9.

2. Ferrari P., Rossini L., Ruscelli F., Laurenzi A., Oriolo G., Tsagarakis N. G., Hoffman E. M. Multi-contact planning and control for humanoid robots: Design and validation of a complete framework, Robotics and Autonomous Systems,2023, vol. 166, no. C, pp. 1—18, doi: 10.1016/j.robot.2023.104448.

3. Reinecke J., Dietrich A., Shu A., Deutschmann B., Hut- ter M. А robotic torso joint with adjustable linear spring mechanism for natural dynamic motions in a differential-elastic arrangement, IEEE Robotics and Automation Letters,2021, vol. 7, no. 1, pp. 9—6, doi: 10.1109/LRA.2021.3117245.

4. Grebenstein M., Chalon M., Friedl W. et al. The hand of the DLR Hand Arm System: Designed for interaction, The International Journal of Robotics Research, 2012, vol. 31, no.13, pp. 1531—1555, doi: 10.1177/0278364912459209.

5. Rincon L. S., Coronado E., Hagane S., Yamaguchi S., Leve V., Kawasumi Y., Kudou Y., Venture G. Expanding the frontiers of industrial robots beyond factories: Design and in the wild validation, Machines, 2022, vol. 10, no. 12:1179, pp. 1—19, doi: 10.3390/machines10121179.

6. Fuge A. J., Herron C. W., Beiter B. C., Kalita B., Leonessa А. Design, development, and analysis of the lower body of next-generation 3D-printed humanoid research platform: PANDORA, Robotica, 2023, vol. 41, no. 7, pp. 2177—2206, doi: 10.1017/S0263574723000395.

7. Sugihara K., Zhao M., Nishio T., Makabe T., Okada K., Inaba M. Design and control of a small humanoid equipped with flight unit and wheels for multimodal locomotion, IEEE Robotics and Automation Letters,2023, vol. 8, no. 9, pp. 5608—5615, doi: 10.1109/LRA.2023.3297065.

8. Boukheddimi M., Kumar R., Kumar S., Carpentier J., Kirchner F. Investigations into exploiting the full capabilities of a series-parallel hybrid humanoid using whole body trajectory optimization, In 2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2023, pp. 10433—10439, doi: 10.1109/IROS55552.2023.10341784.

9. Jeong J., Yang J., Christmann G. H. G., Baltes J. Lightweight mechatronic system for humanoid robot, The Knowledge Engineering Review, 2023, vol. 38, no. 5, pp. 1—15, doi: 10.1017/ S026988892300005X.

10. Shu X., Ni F., Fan X., Liu C., Yang S., Tu B., Liu H. А multi-configuration track-legged humanoid robot for dexterous manipulation and high mobility: Design and development, IEEE Robotics and Automation Letters, 2023, vol. 8, no. 6, pp. 3342—3349, doi: 10.1109/LRA.2023.3266707.

11. Dsouza R., Denny J., D’costa S., Elyas M. Humanoid robots — past, present and the future, International Journal of Advanced Computing Research, 2016, vol. 3, no. 8, pp. 8—15.

12. Riener R. et al. Do robots outperform humans in human- centered domains?, Frontiers in Robotics and AI, 2023, vol. 10, doi: 10.3389/frobt.2023.1223946.

13. Ringwald M., Theben P., Gerlinger K. et al. How Should Your Assistive Robot Look Like? А Scoping Review on Embodiment for Assistive Robots, Journal of Intelligent Robot Systems, 2023, vol. 107, no. 12, doi: 10.1007/s10846-022-01781-3.

14. Aristidou A., Lasenby J., Chrysanthou Y., Shamir А. Inverse kinematics for efficient character animation, Computer Graphics Forum, 2018, vol. 37, no. 6, pp. 35—58, doi: 10.1111/cgf.13310.

15. da Silva S. R. X., Schnitman L., Filho V. C. Analysis of computational efficiency for the solution of inverse kinematics problem of anthropomorphic robots using Gr@bner bases theory, International Journal of Advanced Robotic Systems, 2021, vol. 18, no. 1, doi: 10.1177/1729881421989542.

16. An J., Li X., Zhang Z., Man W., Zhang G., Ding W. Application of An Improved Particle Swarm Optimization Algorithm in Inverse Kinematics Solutions of Manipulators, IEEE 9th Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference, 2020, pp. 1680—1684, doi: 10.1109/ITAIC49862.2020.9339042.

17. Boularias A., Bagnell J. A., Stentz А. Learning to Manipulate Unknown Objects in Clutter by Reinforcement, AAAI Conference on Artificial Intelligence, 2015, vol. 29, no. 1, doi: 10.1609/aaai.v29i1.9378.

18. Storn R., Price K. Differential evolution—a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces, Journal of Global Optimization,1997, vol. 11, no. 4, pp. 341—359, doi: 10.1023/A:1008202821328.

19. Pant B. M., Zaheer H., Garcia-Hernandez L., Abraham А. Differential Evolution: А review of more than two decades of research, Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2020, vol. 90, doi: 10.1016/j.engappai.2020.103479.

20. Senkin A. S., Kraevskiy N. N., Ilyin K. O., Munasypov R. A. To the question of robotization and automation technologies development in well servicing and workover, Neftegazovoe Delo, vol. 18, no. 3, 2020, pp. 61—68 (in Russian).

21. Il’yasov B. G., Saitova G. A. Investigation of multivariable automatic control systems for complex dynamic objects based on Petrov’s paradigm, Control Sciences, 2021, no. 3, pp. 2—13 (in Russian).

22. Husnutdinov K. S., Magid E. A. Modeling of finger movement control with dependent joints of the anthropomorphic robot AR-601M when grasping objects, Master’s thesis, Kazan Federal University, 2019, pp. 92 (in Russian).

23. Shereuzhev M. A. Development of distributed robotic systems for agricultural production, PhD thesis, Moscow State Technical University named after N. E. Bauman, 2023, pp. 229 (in Russian).

24. Velikoborec G. S., Jurova V. A. Anthropomorphic robotic manipulator with a system for reproducing actions in a virtual environment, Proceedings of XI congress of young scientists "Research University ITMO", 2022, pp. 62—67 (in Russian).

25. Hamukov Ju. Н., Popov Ju. I., Huzhokov R. M., Ksalov A. M., Kazanov Н. K. Model of sensing of anthropomorphic manipulator for robotic systems, Izvestia of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, vol. 6, no. 92, 2019, pp. 88—93, doi: 10.35330/1991-6639-2019-6-92-88-94 (in Russian).

26. Jianyuan W., Devaev V. M. Stability control of robotic medical exoskeletons, Inzhenernyj Vestnik Dona, 2020, vol. 9, no. 69, pp. 103—111 (in Russian).

27. Craig J. J. Introduction to Robotics Mechanics and Control, Pearson, Prentice Hall, 2005.

28. Kurfess T. R. Robotics and Automation Handbook, Taylor and Francis, 2005.

29. Abdellatif E. M., Hamouda A. M., Al Akkad M. A. Adjustable backstepping fuzzy controller for a 7 DOF anthropomorphic manipulator, Intellektual’nyesistemy v proizvodstve, ISTU, 2024, vol. 22, no. 1, pp. 21—27, doi: 10.22213/2410-9304-2024-1-21-27.

30. Al Akkad M. A. Exploiting two Ambidextrous Robotic Arms for Achieving Cooperative Tasks, Vestnik IzhGTU, 2014, no. 4, pp. 134—139.