Активная экзоскелетная система и начало разития человекоподобных роботов



жүктеу 281.17 Kb.
Дата09.07.2016
өлшемі281.17 Kb.
Вукобратович Миомир

АКТИВНАЯ ЭКЗОСКЕЛЕТНАЯ СИСТЕМА И НАЧАЛО РАЗИТИЯ ЧЕЛОВЕКОПОДОБНЫХ РОБОТОВ


Miomir Vukobratović, Director Robotics Center, Mihailo Pupin Institute

11000 Belgrade, P.O. Box 15, Serbia and Montenegro

email: vuk@robot.imp.bg.ac.yu
Человечество – венец творения природы. Я верю, что человекоподобные роботы станут венцом творения человечества. Среди творений человека, таких как автомобили, мобильные телефоны и мультимедийные устройства, роботы будущего, мы надеемся, будут идеальными помощниками во всех начинаниях человека. Роботы соответствуют этому ожиданию, потому что будущие интеллектуальные и автономные роботы смогут полностью или частично освободить человека от физической или умственной, монотонной, требующей напряжения, работы. Например, робот-врач может давать медицинские советы, заниматься предварительной диагностикой, и даже ассистировать при хирургической операции. Робот-медсестра может помогать пациентам в больнице или дома. Робот-солдат может принимать участие в военной операции и даже бороться с терроризмом. Робот-репетитор может помочь нашим студентам лучше учиться. Робот-охранник может сделать наше общество намного более безопасным. Робот-горничная может сделать наш дом чище и спокойнее, и даже может присмотреть за пожилыми людьми. Робот-спасатель может использоваться в тех местах, где человеческие жизни в опасности. Список потенциального применения интеллектуальных автономных роботов растет.

1. Введение


Быстрое развитие человекоподобных роботов приводит к изменению границ робототехники как научной и технологической дисциплины. Новые технологии комплектующих, датчиков, микрокомпьютеров, так же как и новые материалы, в последнее время разрушили препятствия для интегрированного контроля в реальном времени некоторых очень сложных динамических систем, таких как человекоподобные роботы, которые уже сегодня обладают приблизительно пятьюдесятью степенями свободы и управляются контроллером за микросекунды.

Ввиду вышеизложенного утверждения, настоящая работа впервые поднимает важный вопрос о законности увеличения числа степеней свободы, имея ввиду, что для активности всего скелета человек имеет в своем распоряжении около 650 мышц, что может быть приблизительно выражено более чем тремя сотнями степеней свободы, т.е. таким же числом биологических силовых приводов.

В этой связи работа поднимает также некоторые новые фундаментальные вопросы относительно необходимого антропоморфизма человекоподобных роботов, определения степени антропоморфизма и, наконец, достижения самой высокой степени антропоморфизма с наименьшим числом степеней свободы. Предлагаются конкретные меры для достижения желательной степени антропоморфизма не примере человекоподобного робота.

Решение вышеупомянутых задач, наряду с человекоподобными роботами, играющими главным образом, роль коммуникаторов и конферансье, привело к появлению роботов, воспроизводящих различные движения и действия людей (спортсмен на трамплине; человек на мобильной динамической платформе; бегущий; балансирующий на одной ноге – удар каратэ; играющий в теннис, футбол или волейбол; гимнастика на полу или с использованием некоторого гимнастического снаряда; лыжный спорт – баланс и скольжение, и т.д.).

Попытки повторить движения человека пока еще несовершенны, но в этой области существует несколько ряд возможных перспективных решений. С другой стороны, отсутствие интеллекта, подобному человеческому – главное препятствие, труднопреодолимое из-за его комплексности и многомерности; к тому же этот интеллект также ответственен за координацию всего поведения робота.

Все это – выводы из результатов нашего исследования, связанного с разработкой активных экзоскелетов, предназначенных для реабилитации инвалидов. Мы должны еще раз отметить, что первые в мире активные экзоскелеты были созданы в Белграде в институте им. Михаила Пупина в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия. Наше первое публичное представление упомянутых устройств на международном конгрессе по автоматизации в Дубровнике в 1972 году вызвало большой интерес научной общественности. Многочисленные иностранные посетители и участники поздравили нас, говоря, что видели это впервые. Японские коллеги не скрывали своего восхищения. Дальнейшие признания были получены позднее в письменной форме – мнения признанных мировых ученых в области робототехники, таких как профессор Джорж Бекей (Dr. George Beckey) и профессор Роберт Макги (Dr. Robert McGee). Начиная с основателей японской робототехники, покойного профессора Като, и заканчивая практически всеми учеными и исследователями ведущих университетов и компаний Японии, - все они отмечают результаты наших исследований в области человекоподобных роботов, разработанных в Белграде с использованием ZMP метода - уникального инструмента для моделирования и реализации процесса хождения.

Идея создания человекоподобных роботов родилась из желания помочь инвалидам, особенно обездвиженным. Сначала были реализованы активные экзоскелеты для людей, страдающих параличом нижних конечностей – в 1972 и 1974 годах – исследователями Робототехнического Центра института им. Михаила Пупина и ортопедической клиники в Белграде. Особенно мы хотим отметить роль российских ученых и экспертов Центрального Государственного Института Ортопедии и Травматологии, которые активно помогали нам в исследовании и усовершенствовании наших экзоскелетных систем.

2. Начало робототехники


Слово робот впервые появилось в 1920 году в пьесе «Универсальные роботы Россума», написанном чешским писателем Карелом Чапеком. Пьеса изображает прекрасных рабочих – роботов, наделенными чувствами, дающими возможность увеличить их производительность.

Понятия, родственные сегодняшнему роботу, могут быть найдены уже в 450 годах до н.э., когда греческий математик Тарентум представил механическую птицу, названную им "Голубь", которая передвигалась с помощью пара. Аль-Джазари (1136-1206), турецкий изобретатель, проектировал и строил автоматы типа водных часов, кухонных приборов и музыкальных автоматов, использовавших силу воды.

Одним их первых зарегистрированных проектов человекоподобного робота было творение Леонардо да Винчи, сделанное приблизительно в 1495 году. Записи да Винчи, обнаруженные в 1950-х годах, содержат детализированные рисунки механического рыцаря, способного сидеть, махать оружием, двигать головой и челюстью.

Первый известный функционирующий робот был создан Жаком де Вокансоном, создавшем андроида, играющего не флейте, а также утку, которая, по сообщениям, ела и испражнялась. В 1893 году Джорж Мур создал парового человека. Он приводился в движение паровым котлом мощностью 0.5 лошадиных сил и достигал скорости 9 миль в час (14 км/час). Вестингхаус создал человекоподобного робота под названием Электро. Он был представлен в 1939 и 1940 годах на Всемирной выставке, тогда как первые автономные электронные роботы были созданы Греем Уолтером в 1948 году в бристольском университете в Англии.

Если, однако, мы хотим проследить за происхождением роботов как технологического продукта, мы должны упомянуть патент Тесла и эксперимент в Мэдисоновском Квадратном Саду в Нью-Йорке в 1898 году, в котором он демонстрировал радиоуправляемое судно. Фактически, это был первый удаленно управляемый объект, т.е. робот в широком понимании этого термина.

Если бы мы хотели связать начала робототехники с появлением промышленных роботов, мы должны были бы указать на Джоржа Девола, запатентовавшего в 1954 году в Соединенных Штатах первое автоматизированное устройство, в то время как Джозеф Энджелбергер, тоже американец, сконструировал первого промышленного робота в 1961 году. Поэтому 1961 год формально считается началом робототехники. С 1970 года мы наблюдаем интенсивное развитие промышленной робототехники. Роботы заменили людей прежде всего на тех рабочих местах, которые опасны для людей и вредны для их здоровья, а также для повышения точности и аккуратности при механической обработке деталей, сборке блоков и механизмов, для увеличения производительности. Например, в последние 15-20 лет автомобильное производство было автоматизировано и полностью роботизировано, от начальной стадии производства - изготовления двигателя, до полной сборки автомобиля - включая его покраску.

К слову о промышленных роботах, которых к настоящему времени насчитывается около 800000,- треть из них сделана в Японии, а в последнее десятилетие мы засвидетельствовали быстрое развитие роботов специального назначения.

Это, например, роботы для предотвращения террористических актов, для дезактивации взрывчатых устройств, обнаружения и уничтожения мин, исправления повреждений в электросетях без отключения электроэнергии, сбора фруктов, бетонных работ, рытья линий метрополитена и их обслуживания, очистки высоких зданий, замены поврежденных частей резервуаров и трубопроводов, стрижки овец, роботы-мясники для разделывания и обвалки мяса, микророботы для осмотра кишечного тракта, а также для проверки качества кровеносных сосудов, и др. Также были неоднократные попытки выполнения тонких хирургических операций, в т.ч. - на дистанционно.

Таким образом, робототехника расширяет заявленные границы, роботы получают полностью новые функциональные возможности и конструктив.

Так, например, беспилотный самолет – это, фактически, самолет-робот; и автоматическое управление танком с контролем над стрельбой по целям - это также работа робота. Автоматически управляемая торпеда – подводный робот. Крылатая ракета – беспилотный самолет, который может не только отследить цель, которую нужно уничтожить, но, используя искусственный интеллект, также и обнаружить ее.


3. Человекоподобная робототехника


Начало развития человекоподобной робототехники совпало с началом развития активных экзоскелетов – впервые в мире в 1969 году в институте им. Михаила Пупина под руководством профессора Вукобратовича. Отметим, что сначала была создана шагающая система. Кроме того, первая теория этих систем была развита в том же самом институте в рамках работы над активным экзоскелетом. Следовательно, можно с полным правом заявить, что активные экзоскелеты были предшественниками современных высококачественных человекоподобных роботов. Недавно была проявлена открытая заинтересованность к системам активных экзоскелетов, в первую очередь, для военных целей. Современные активные экзоскелеты разрабатываются как системы для улучшения естественной человеческой скелетной системы.

Рис. 1. Первая версия «силовой ноги» института им. Михаила Пупина (1971).


Рис. 2 Первый в мире шагающий активный экзоскелет на пневматическом приводе с частично запрограммированной кинематикой для воспроизведения походки, близкой к человеческой. Он сделан в 1969 году в институте им. Михаила Пупина и является предшественником более сложных экзоскелетных устройств для инвалидов.


На рис. 3 представлена самая успешная версия активного экзоскелета для реабилитации людей, страдающих параличом нижних конечностей. Сделанная и протестированная в Белграде в ортопедической клинике в 1972 году, она приводилась в действие с помощью пневмопривода и была аппаратно запрограммирована. Один экземпляр был поставлен в центральный институт травматологии и ортопедии в Москву в рамках советско-югославского международного научного сотрудничества. С 1991 года экзоскелет принадлежит основному фонду Политехнического музея (Москва) и Государственному музейному фонду РФ (рис. 4). Он экспонируется в отделе музея, посвященном развитию автоматики и кибернетики.

Активный экзоскелет с электромеханическими двигателями, аппаратно программируемый, сконструированный и протестированный в 1974 году, представлен на рис. 3. Он служил главным образом для оценки и развития электромеханических двигателей для ортопедических устройств, был «активной рукой» ортопедической техники. Это был первый в мире пример активного экзоскелета, использующего электрические моторы в качестве силовых приводов. Также его можно рассматривать как предшественника современных человекоподобных роботов, приводящихся в движение посредством электромоторов.


Рис. 3. Самая успешная версия активного экзоскелета для реабилитации людей, страдающих параличом нижних конечностей. Сделанная и протестированная в Белграде в ортопедической клинике в 1972 году, она приводилась в действие с помощью пневмопривода и была аппаратно запрограммирована. Один экземпляр был поставлен в центральный институт травматологии и ортопедии в Москву в рамках советско-югославского международного научного сотрудничества. С 1991 года экзоскелет принадлежит основному фонду Политехнического музея (Москва) и Государственному музейному фонду РФ (рис. 4). Он экспонируется в отделе музея, посвященном развитию автоматики и кибернетики.


Рис. 4. Белградский активный экзоскелет, экспонированный в Политехническом музее в Москве в качестве одного из предметов базового фонда.


Рис. 5. «Активная экипировка», модульное полумягкое активное ортопедическое устройство для страдающих дистрофией. Сделано в 1978 году. Электромеханический привод, программируемый и управляющий микрокомпьютер. С успехом использовалось в реабилитационных и исследовательских целях. Устройство было сделано в рамках проекта, который финансировался известными американскими организациями: SRS (социальное реабилитационное учреждение) и NSF (национальный научный фонд) в рамках интенсивного научного сотрудничества США и Югославии. Об этом есть официальные сообщения и документы, публикации, фильмы и т.д. Это была настоящая сенсация и, фактически, первый в мире активный экзоскелет.

Находится в техасском реабилитационном центре.

Рис. 6. Успешная модель активной ортопедической руки для восстановления двигательных функций при дистрофии или других подобных случаях. Управляется с помощью джойстика. Создан в институте им. Михаила Пупина в 1972 году.


3.1. Понятие точки нулевого момента и полуинверсный метод


Структура обратной связи включает в себя нагрузку обратной связи во вращающихся суставах шагающих роботов (и особенно двуногих механизмов), что существенно для динамического баланса всей системы для управления силами реакции опоры при контакте ног и пола. Рассмотрим пример шагающего робота, находящегося в фазе с одиночной поддержкой, представленного на рис. 7. Можно заменить все элементарные вертикальные силы их равнодействующей. Возьмем точку в декартовых координатах (рис. 7), в которой действует результирующая сила реакции опоры (оси x и y горизонтальны, ось z вертикальна), и запишем математическое выражение для достижения динамического баланса: и . Это необходимо для того, чтобы момент по оси z был нулевым для компенсации силы трения между ногой и опорой. Таким образом, движения не будет при . Точка в области поддержки (исключая края) называется точкой нулевого момента (ТНМ).

Уравнения динамического равновесия для двуногого механизма могут быть получены для ТНМ так, что введение понятия ТНМ [7-9] позволило бы решить эту очень специфическую проблему прикладной механики. Для любой другой точки, исключая ТНМ, уравнения динамического равновесия содержали бы неизвестные силы реакции, что сделало бы неразрешимой задачу динамического моделирования в классе моделирования походки, особенно для двуногих шагающих роботов. Однако, если мы объединим уравнения, написанные для ТНМ, становится возможным вычисление сил реакции, так как они зависят от всех внутренних координат, скоростей и ускорений всего механизма.

Следующий решающий шаг в моделировании и контроле шагающих механизмов, особенно в отношении двуногих шагающих роботов, заключается во введении полуинверсного метода [10-11].

Какова сущность полуинверсного метода?


Рис. 7. Основание ноги в фазе с одиночной поддержкой.


Условия динамического равновесия в привязанной к точке нулевого момента системе координат дают три отношения между обобщенными координатами и их производными. Так как вся система имеет n степеней свободы, траектории (n-3) координат могут быть ограничены так, чтобы было гарантировано динамическое равновесие всей системы (движение туловища включает в себя движения рук, если речь идет о двуногом роботе). Если добавить точки нулевого момента (для пассивных суставов двух рук), тогда для каждой дополнительной ТНМ будут нужны другие три уравнения равновесия.

Таким образом, когда возникает задача исследования динамики двуногих систем, движения элементов уже частично известны, а неизвестные моменты равны нулю. Исчезновение данных моментов следует из условий равновесия для ТНМ и из соединения пассивных звеньев.


Рис. 8. Walk Master: траектория ТНМ и проекция центра тяжести.


Рис. 9. WL-12 (1986)


Используя понятие ТНМ, исследователи из лаборатории Като в 1984 году разработали трехмерную графическую модель походки робота (рис.8). Это исследование позволило проанализировать ТНМ для шагающего двуногого робота и составить трехмерную модель шагающего робота и характеристики его силовых приводов (рис.8).

Понятие ТНМ и полуинверсный метод были доработаны позднее в исследовании [1,12] Икиро Като и его коллег, и они были первыми, кто претворил в жизнь динамическую походку с уравновешиванием туловищем (рис. 9, WL-12, 1986 год).

Идущий двуногий робот должен быть в состоянии регулировать свою походку для адаптации к неровной поверхности или уклонения от препятствий. Таким образом, эти исследователи сконструировали корпус WL-12, стабилизирующий его походку. WL-12 был способен совершать 30-сантиметровые шаги за 2.6 секунды, используя предложенный алгоритм, который автоматически составлял временную траекторию тела при предоставлении произвольной траектории нижних конечностей и ТНМ.

Основываясь на том же ТНМ методе, исследователи из Honda R & D Co. Ltd. Wako Research Center (Исследовательский центр Уоко) представили [13-14] человекоподобного робота HONDA (рис. 10) – это самый успешный результат в области передвижения на 2 ногах.

Среди многих активных исследований в области человекоподобных роботов (моделировании и управлении) необходимо подчеркнуть важность большого и многообещающего проекта Virtual Humanoid Robot Platform [15] (Виртуальная Платформа Человекоподобных Роботов).

ТНМ метод привлек огромный интерес исследователей и нашел применение в человекоподобных, двуногих и многоногих роботах. Демонстрировалось, что ТНМ метод обеспечивает весьма полезный динамический критерий для определения характеристик и мониторинга человеческого /человекоподобного передвижения робота. Концепция ТНМ также очень полезна для анализа и управления человеческой походки в реабилитационной (восстановительной) робототехнике [16].


Рис.10. Робот Хонда

4. Некоторые пионерские результаты “Белградской школы робототехники” в области динамики и динамического управления человекоподобными роботами

4.1. Рекурсивное описание динамики робота


Рекурсивное описание динамики робота было представлено в 1973 Вукобратовичем и Степаненко [17], в то время как полное рекурсивное описание Ньютона-Эйлера в моделировании робота было сделано Вукобратовичем наряду с применением этого вычислительного метода для открытой связи двигательных механизмов. Для расширения метода Вукобратович и Потконяк получили первую рекурсивную лагранжевую формулировку в моделировании роботов [18]. Метод был посвящен прямым и обратным задачам динамики. Метод уравнений Аппеля, задуманный E.П. Поповым [19], был развит в его заключительной форме Вукобратовичем и Потконяком [20] для решения обеих задач динамики, обратной и прямой.

4.2. Компьютерная поддержка генерации динамики робота в символьной форме


Компьютерная поддержка генерации динамики робота в символьной форме была развита в институте им. Михаила Пупина под руководством профессора Вукобратовича. В начале вычисления погрешности были препятствием в применении взаимосвязанных контроллеров. То же самое было и с числовым кинематическим алгоритмом. Однако символьные подходы к получению автоматизированных моделей могут быть намного более эффективными, чем числовые. Символьный метод полностью разрабатывается на специфике кинематической и динамической структуры манипулятора. Эти "настроенные" алгоритмы устраняют ненужные арифметические операции. Преимущества символьных методов в робототехнике были признаны сначала в [21-22], а эффективный метод моделирования манипуляторов с последовательной связью в символьно-числовой форме был разработан в [23].

4.3. Динамический подход к представлению траектории для манипуляторов робота


Динамический подход к представлению робототехнических траекторий - метод для оптимального синтеза траекторий манипуляций робота. Он впервые был предложен в 1982 году [24], где система рассматривалась как целая нелинейная динамическая модель механизма и приводов [25]. Что касается практической важности, из сил для оптимального синтеза движения, гарантирующего одновременно гладкое, плавное движение и минимальную нагрузку приводов, особое внимание уделялось силе, необходимой для оптимального движения незарезервированных манипуляторов. Процедура для динамического синтеза с резервированием траекторий манипулятора [26] была впервые предложена в 1984 году. Эта процедура не была по-настоящему динамической по причине того, что система была представлена кинематической моделью, но оптимальный критерий был динамическим. Этот метод показал значительные преимущества перед кинематическими подходами в случаях манипуляции тяжелых объектов большими, мощными роботами, и быстродействующей манипуляцией с высокоэнергетическим потреблением.

4.4. Централизованное опережающее управление в робототехнике


Централизованное опережающее управление является одним из динамических законов управления, который эффективно используется на практике. Оно включает так называемое номинальное программное управление, которое компенсирует динамику полного механизма по номинальной траектории. Централизованное опережающее управление для применения в системах двуногого передвижения было предложено ранее в статьях [8, 9, 11]. У шагающих двуногих машин точное отслеживание предрасчетных номинальных траекторий достигалось применением централизованного опережающего управления, что являлось необходимым условием для того, чтобы гарантировать динамическое равновесие в течение процесса ходьбы. Централизованное опережающее управление движений роботов было введено Вукобратовичем и Стокичем [27-29]. По сравнению с другими динамическими законами управления (например, так называемая обратная динамика или вычислительный метод вращающего момента) [30-32], централизованное опережающее управление показало значительные преимущества, такие как более высокая надежность, простота схемы управления, отсутствие требований вносить изменения в основные структуры классических схем сервосистем и т.д. Применение централизованного опережающего управления в коммерческих промышленных роботах началось много лет спустя и показало полную эффективность предложенного подхода. Оптимальное опережающее управление ускоряет движение механотронных систем до физических пределов. Примененное недавно оптимальное опережающее управление в реальном времени увеличило международную конкурентоспособность ведущих фирм-производителей роботов. Кроме того, математическая оптимизация для замкнутой системы робота уменьшила время, необходимое для настройки устройства управления робота.

4.5. Динамическое управление роботом


Первая идея применения динамического контроля к роботам исходила из задачи отслеживания заданной траектории антропоморфных двигательных механизмов, в особенности двуногих систем передвижения. Вукобратович и Джуричич [7, 8] предложили динамическую схему управления, состоящую из цепи прямой связи (основанной на законченной динамической модели системы) и цепи обратной связи, где роль прямой связи компенсируется, отменяя нелинейность номинальной динамики системы. Несколько лет спустя такой подход был предложен и уточнен для вектора ориентации динамического управления манипуляциями роботов [27, 28, 33].

4.6. Децентрализованное управление и наблюдение применительно к сильносвязанным двигательным механизмам


Когда децентрализованное управление применяется на действующий пространственный механизм, систему рассматривают как ряд подсистем. Чтобы компенсировать влияние динамической связи среди подсистем, был введен двухступенчатый синтез управления [8, 11, 27, 34]. Этот подход был применен сначала к двуногим системам передвижения, а позже был расширен на манипуляторы и другие активные механизмы [34]. Сначала применяется так называемое номинальное программное управление, реализуя желательное движение системы в идеальном случае при некоторых определенных начальных условий. На второй стадии синтеза, управление должно синтезироваться так, чтобы стабилизировать систему вокруг номинальной траектории при изменении начальных условий. При вводе запрограммированного номинального управления динамическое взаимовлияние подсистем уменьшается в предположении, что мы рассматриваем состояние системы в конечных областях пространства. Для дальнейшей компенсации сильного влияния взаимодействия был предложен следующий подход [27]: если каждая механическая степень свободы рассматривается как подсистема, связь таких подсистем представляет силу (вращающий момент), которая может быть или вычислена, используя динамическую модель механизма, или прямо измерена. Это дает возможность введения так называемого глобального управления в форме обратной связи или через вычисленный вращающий момент/силу, или через прямую обратную связь вращающего момента/силы. Применяя такое глобальное управление, влияние дестабилизации связей на общую стабильность системы может быть минимизировано [27, 35]. Подобный подход может быть применен, если децентрализованное наблюдение применяется для сильносвязанного двигательного механизма [35].

4.7 Силовая обратная связь в динамическом управлении роботами


Применение силовой обратной связи для систем двуногого передвижения было впервые предложено Вукобратовичем и Стокичем [11, 34, 35]. Результат увеличения чувствительности обратной связи для компенсации динамического взаимодействия среди соединений двигательных механизмов сначала использовался для роботов с двуногой системой передвижения, так как связь среди двигательных соединений очень сильна и имеет основное влияние на полную стабильность системы. Другое преимущество этого подхода над динамическими законами управления, основанными на динамических моделях роботов, состоит в том, что компенсация силовой обратной связи не чувствительна к погрешностям в определении модели и параметров.

4.8 Тесты на стабильность для децентрализованного управления робототехническими механизмами


В статьях Вукобратовича и Стокича [11, 27, 35, 36] применение децентрализованного управления к крупномасштабным механическим робототехническим системам впервые рассматривалась с теоретической точки зрения. Локальное управление синтезируется для каждой подсистемы, пренебрегая соединениями между ними. Так как влияние соединений между крупными узлами системы может быть слишком велико, номинальное программное управление рассчитывается с использованием централизованной модели системы, которая была введена в [27-29, 35]. Однако этот подход может быть использован, когда желательное движение известно заранее и когда точно определены системные параметры. Если эти допущения не выполнены, тогда централизованная модель не подходит для синтеза и применения номинального программного управления, основанного на целостности. По этим причинам был предложен полностью децентрализованный закон управления [37-39]. Этот закон управления включает локальные сервомоторы вокруг сочленений и локальные номинальные условия с прямой связью, основанные на децентрализованной модели динамики робота. Это децентрализованное управление использовалось в промышленных роботах в течение длительного времени (обычно без локальных условий с прямой связью), но не было сделано никакого теоретического анализа такой схемы управления.

4.9. Предвозбужденные робототехнические системы


Появление пассивных степеней свободы наиболее характерно для шагающих, особенно двуногих, роботов. А именно, в течение реальной ходьбы под действием возмущений появляются дополнительные углы, вызывая вращение робота вокруг краев подошв. Эти пассивные степени свободы имеют преобладающее влияние на полную устойчивость двуногого робота. Отличаясь от так называемых «предвозбужденных» систем, о которых часто говорится в современных статьях, где проблемы управления и стабильности имеют чисто теоретический характер, упомянутые типы робототехнических механизмов неизбежно вовлекают дополнительные степени свободы, пассивные по своей природе. Присутствие пассивных соединений сильно усложняет исследование стабильности таких робототехнических механизмов [27-29, 38-40].

4.10. Применение на практике проверки стабильности в робототехнике


Одна из главных проблем синтеза законов управления для роботов - неопределенность в моделях динамики робота. Неопределенности в динамической модели окружающей среды в различных технологических задачах могут иметь особенно большое влияние из-за трудностей в идентификации/предсказании параметров окружающей среды и ее свойств. Это имеет большое значение при проверке надежности синтезируемых законов управления относительно этой модельной неопределенности. Практическая стабильность робота вокруг желательных траекторий (и траектории сил в случае так называемого задания принудительного движения) установлена путем определения конечных областей вокруг желательных положений (и траектории сил), в пределах которых фактические координаты положения робота и скорости (и сил) должны быть во время выполнения задачи [27-29].

4.11 Единый подход к синтезу законов управления для интерактивного робота в динамической среде


Единый подход к совместному решению задач позиционирования и определения динамических характеристик существенно отличается от вышеописанных обычных гибридных схем. Вукобратович и Екало [38-40] создали динамических подход к контролю одновременно за координатами и силами в условиях полных динамических воздействий. Подход к динамическому управлению взаимодействием [38-40] содержит две подзадачи: стабилизация позиции робота и взаимодействие сил. В обеих подзадачах используется динамическая модель робота и окружающей среды [41] для того, чтобы обеспечить отслеживание номинального движения и сил. Вместо традиционно установленного гибрида «позиция/силовой контроль» был предложен новый подход, в котором впервые применялся динамический контроль в быстроизменяющейся среде над всем роботом и окружающей систему средой [38-40]. Вместе с тем, неопределенность модели, представляющая важнейшую проблему контроля над интерактивными роботами в динамической среде, полностью еще не решена. Погрешности в динамических моделях робота и окружающей среды, а также надежность динамического контроля были рассмотрены в [42-45].

5. Нынешнее состояние и ближайшее будущее в области экзоскелетов


Стремительное развитие человекоподобных роботов расширило границы робототехники как научной и технологической дисциплины. Новые технологии комплектующих, датчиков, микрокомпьютеров, а также появление новых материалов, разрушили препятствия на пути комплексного контроля в режиме реального времени некоторых очень сложных динамических систем человекоподобных роботов, которые уже сегодня обладают примерно 600 степенями свободы и обновляют свое состояние за микросекундные сигналы контроллера.

С учетом вышеизложенного, эта статья поднимает вопрос о правомерности увеличения степеней свободы человекоподобного робота, имея в виду, что для активности всего скелета человек имеет в своем распоряжении около 600 мышц, что может быть приблизительно выражено более чем тремя сотнями степеней свободы, т.е. таким же числом биологических силовых приводов. Последние открытия в области анатомии свидетельствуют о том, что определенные группы мышц отвечают за динамические движения конкретных частей тела (плечи, бедра, позвоночник), включая комплекс сложных вращающихся суставов. Следовательно, человекоподобные роботы должны моделироваться с помощью так называемых синовиальных суставов, принимая во внимание то, что синовиальные суставы суммарно должны иметь более трех степеней свободы (вращательных и поступательных). Человекоподобные суставы динамичны, что качественно отличает их от суставов робота (машинных соединений), т.к. суставы человека более гибкие, чем суставы робота. Каждый сустав человека, в дополнение к вращательному движению (как у робота), обладает небольшим поступательным движением. С точки зрения механики, связи в человеческой руке или ноге - это не фиксированная точка соединения, как в современных роботах, части гибко соединены связками. Решение вышеупомянутых задач, наряду с человекоподобными роботами, играющими главным образом, роль коммуникаторов и конферансье, привело к появлению роботов, воспроизводящих различные движения и действия людей (спортсмен на трамплине; человек на мобильной динамической платформе; бегущий; балансирующий на одной ноге – удар каратэ; играющий в теннис, футбол или волейбол; гимнастика на полу или с использованием некоторого гимнастического снаряда; лыжный спорт – баланс и скольжение, и т.д.).

Это, например, роботы для предотвращения террористических актов, для дезактивации взрывчатых устройств, обнаружения и уничтожения мин, исправления повреждений в электросетях без отключения электроэнергии, сбора фруктов, бетонных работ, рытья линий метрополитена и их обслуживания, очистки высотных зданий, замены поврежденных частей резервуаров и трубопроводов, стрижки овец, роботы-мясники для разделывания и обвалки мяса, микророботы для осмотра кишечного тракта, а также для проверки качества кровеносных сосудов, и др. Также были неоднократные попытки выполнения тонких хирургических операций на месте или на расстоянии.

Весьма интересно, что в начале исторического развития робототехники конструкции дублировали людей и животных, существующих в природе. Хотя начало развития робототехники обычно связывают с появлением промышленных роботов, это можно рассматривать лишь как короткий отрезок времени между попытками сделать машину, дублирующую человека, и современным развитем человекоподобных роботов и активных экзоскелетных систем. В настоящее время промышленная робототехника, по-видимому, в стагнации, тогда как человекоподобная робототехника переживает стремительное развитие, и мы можем сказать, вступает в этап возрождения. Роботы, следовательно, расширяют границы своего применения, они обладают полностью новыми функциональными схемами и формами конструкций. Так, например, беспилотный самолет – это, фактически, самолет-робот; и автоматическое управление танком с контролем над стрельбой по целям - это также работа робота. Автоматически управляемая торпеда – подводный робот. Крылатая ракета – беспилотный самолет, который может не только отследить цель, которую нужно уничтожить, но, используя искусственный интеллект, также и обнаружить ее. Однако, это не все. Есть здания, способные контролировать свое отклонение от вертикали, т.е. колебания, вызванные сильным ветром или землетрясениями на сейсмически активных участках почвы. Такое строительство можно рассматривать в качестве специфичной, т.е. нетрадиционной активной робототехнической системы.

Есть специальный класс робототехники, занимающейся человекоподобными роботами. Уже были многочисленные попытки, особенно в Японии, использовать их в качестве помощников в человеческой жизни и в работе. Считается, что в течение десятилетия они найдут широкое применение в жизни человека. Конечно, необходимым условием будет некоторое изменение среды жизни, в том числе мебели и других различных вещей. Особенность этих роботов - это их антропоморфный вид и присутствие элементов искусственного интеллекта. Идея создания человекоподобных роботов была нацелена на оказание помощи инвалидам, которые не имеют возможности передвигаться самостоятельно. По определению, экзоскелеты должны иметь антропоморфную форму. Такие роботы впервые в мире был реализованы в начале восьмидесятых годов прошлого века в институте им. Михаила Пипина в Белграде (рис. 5). Это был первый пример экзоскелета для антропоморфического передвижения инвалидов, страдающих параличом нижних конечностей. Группа академика Вукобратовича также построила первую в мире ортопедическую руку (рис. 7).

Успех функциональности был доказан обществом страдающих дистрофией в Белграде. Сегодня мы являемся свидетелями возрождения этого вида робототехники, особенно для военных целей. Хотелось упомянуть о ряде успешных проектов: проект "SARKOS" университета штата Юта (США) под руководством профессора Стефана Якобсена, проект "BLEEX" [6] из Беркли (рис. 11.) под руководством профессора Казеруни и финансовой помощью DAPRA, а также проект "HAL - 5" [46] из университета Цукуба (Япония) (рис. 12.) под руководством профессора Санкаи. Все эти проекты направлены на улучшение механических возможностей человека. Хотя мы являемся свидетелями преднамеренного или "случайного" пренебрежения нашими достижениями и присвоением результатов небольшим числом исследователей, это пренебрежение, как продукт первых результатов наших исследований – косвенная сторона признания наших открытий в этой области.

В настоящее время мы являемся свидетелями быстрого развития в области человекоподобных роботов и активных экзоскелетных систем. Их механическая сложность и возможности в значительной степени схожи с человеческими.

Рис. 11. «BLEEX» [6] проект, финансируемый DAPRA. Может нести до 32 кг. При этом человек чувствует, что несет только 2 кг. Цель – довести вес до 60 кг при ощущении в 4 кг.



Рис. 12. HAL-5 [46] – робот-одежда, которая может расширить и усовершенствовать физические возможности человека. Разработана в университете Цукубы под руководством профессора Санкаи. Одев HAL-5, вы сможете поднять руками до 40 кг и увеличить максимальный вес «мышцами» ноги от 100 до 180 кг.


6. Выводы


Начало развития человекоподобных роботов совпало с началом развития первых в мире экзоскелетов в институте им. Михаила Пупина в 1969 году под руководством профессора Вукобратовича. Следует отметить, что в первую очередь были разработаны системы передвижения. Кроме того, первая теория этих систем была разработана в том же институте в рамках проекта экзоскелетов.

Таким образом, можно говорить, что экзоскелеты (рис. 4-5) являются предшественниками современных высокоэффективных человекоподобных роботов. В последнее время наблюдается оживление интереса к экзоскелетам, прежде всего военного назначения.

Ввиду того, что в самом начале нашей научной и профессиональной карьеры я спросил себя, как описать человеческую походку и как контролировать искусственно созданную походку, основанную на разработанных для этого математических моделях, я чувствую себя обязанным сказать что-нибудь о дилемме, заключенной в названии статьи. Она представляет неотъемлемую часть моего личного отношения к текущему положению и перспективам робототехники, особенно в вопросах человекоподобной робототехники, которая, несомненно, привлекла особое внимание исследователей за прошедшие несколько лет.

Честно говоря, на первой стадии нашей работы над двуногим передвижением, мы были глубоко убеждены, что синтез и контроль человеческой походки может иметь практическое применение только в области активных экзоскелетов для инвалидов, страдающих параличом нижних конечностей. Из-за этого, в далеком 1968 году мы начали с очень упрощенного экзоскелета, который был сделан в институте им. Михаила Пупина в течение следующего года. В 1972 году мы завершили, по сути, расширенную версию экзоскелета на пневматическом приводе, нацеленную на восстановление основных движений людей, страдающих параличом нижних конечностей, и это событие, естественно, вызвало благоприятные отклики в мире.

В начале нашей работы над теорией и применением антропоморфных механизмов никто не мог предположить такое интенсивное развитие в области человекоподобной робототехники. С другой стороны, такое состояние человекоподобной робототехники, предвещая ее будущие успехи, позволяет мне и моим коллегам испытать реальное научное и профессиональное удовлетворение, поскольку мы можем видеть, что наши теоретические результаты были и остаются через несколько десятилетий после их появления прочной основой для динамического контроля человекоподобных роботов.

Учитывая современный технологический уровень, возникает вопрос: действительно ли мы готовы двигаться к индивидуальной робототехнике и что могло бы быть первым шагом? Возможный ответ на этот вопрос можно было бы дать, проанализировав некоторые особенности человека, которыми должен обладать робот: человекоподобные движения, знания, общение. Такая перспективная задача требует скоординированных и интегрированных усилий в широком диапазоне дисциплин, таких как теория систем, теория управления, искусственный интеллект, материаловедение, механика и даже биомеханика и неврология. Таким образом, исследование дерзко, но вызов брошен и цель многообещающа.

В конце мы должны отметить, что не было целью собрать в этой статье полное описание области динамики и динамического контроля над человекоподобными системами. Упомянута лишь маленькая часть процесса развития динамического контроля, связанного с активными экзоскелетами, а также с человекоподобной робототехникой и робототехникой вообще. Мы надеемся, что в ближайшем будущем появятся статьи, написанные в сотрудничестве с российскими учеными, которые будут содержать более широкий анализ, расчеты и новые результаты, что позволит наметить новые границы в динамике, особенно в области человекоподобной робототехники.

REFERENCES

[1] Vukobratovic M., Hristic D., Stojiljkovic Z., "Development of Active Anthropomorphic Exoskeletons", Medical

and Biological Engineering, Vol. 12, No 1, 1974.

[2] Vukobratovic M., Legged Locomotion Robots and Anthropomorphic Mechanisms (in English), research

monograph, Mihailo Pupin Institute, Belgrade, 1975, also published in Japanese, Nikkan Shumun Ltd. Tokyo, 1975, in

Russian "MIR", Moscow, 1976, in Chinese, Beijing, 1983.

[3] Hristic D., Vukobratovic M., “Active Exoskeletons Future Rehabilitation Aids for Severely Handicapped Persons”,

Orthopedie Technique, 12/1976, pp 221-224, Stuttgart, Germany.

[4] Vukobratovic M., Borovac B., Surla D., Stokic D., Scientific Fundamentals of Robotics, Vol. 7, Biped Locomotion:

Dynamics, Stability, Control and Application, Springer-Verlag 1989.

[5] Vukobratovic M., Borovac B., Stokic D., Surdilovic D., Active Exoskeleton, Ch. 27: Humanoid Robots, pp 727-

777, Mechanical Systems Design Handbook: Modeling, Measure and Control, CRC Press, 2001.

[6] http://bleex.me.berkeley.edu/bleex.htm, Bleex hompage, active exoskeleton project under the guicance of prof. H.

Kazerooni.

[7] Vukobratovic M., Juricic D., “A Contribution to the Synthesis of Biped Gait", IFAC Symp. Technical and

Biological Problem of Control, Yerevan, USSR, 1968.

[8] Vukobratovic M., Juricic D., “Contribution to the Synthesis of Biped Gait", IEEE Trans. on Biomedical

Engineering, Vol. 16, No 1, 1969.

[9] Vukobratovic M., Stepanenko Y., “On the Stability of Anthropomorphic Systems”, Mathematical Biosciences, Vol.

15, pp. 1-37, 1972.

[10] Juricic D., Vukobratovic M., “Mathematical Modeling of a Bipedal Walking System", ASME publication 72-

WA/BHF-13, Winter Annual Meeting, New York, Nov. 26-30, 1972.

[11] Vukobratovic M. "How to Control Artificial Anthropomorphic Systems", IEEE Trans. on Systems, Man and

Cybernetics, Vol. SMC-3, Sept. 1973.

[12] Vukobratovic M., Stokic D., “Dynamic Stability of Unstable Legged Locomotion Systems”, Mathematical

Biosciences, Vol. 24, No. 1/2, 1975.

[13] Hirose M., Takenaka T., Gomi H., Ozawa N., "Honda Humanoid Robot (in Japanese), Journal of the Robotic

Society of Japan, Vol. 15, No 1, pp. 983-987, 1997.

[14] Hirai K., Hirose M., Haikawa Y., Takenaka T., "The Development of Honda Humanoid Robot", Proc. of the IEEE

Intern. Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, pp. 1321-1326, 1998.

[15] Nakamura Y. et al., "Virtual Humanoid Robot Platform", Proceedings of Humanoids' 2000, Tokyo, 2000.

[16] Vukobratovic M., Borovac B., "Zero - Moment Point - Thirty Five Years of Its Life” Intern. Journal of Humanoid

Robotics, Vol. 1, No. 1, pp. 157-173, 2004.

[17] Vukobratovic M., Stepanenko Y., “Mathematical Models of General Anthropomorphic Systems”, Mathematical

Biosciences, Vol.17, pp. 191-242, 1973.

13

[18] Vukobratovic M., Potkonjak V., “Contribution to Computer Forming of Active Chain Models via Lagrangian



Form", ASME Journal of Applied Mechanics, No. 1, 1979.

[19] Popov E.P., “Control of Robots - Manipulators” (in Russian), Journal of Technical Cybernetics, No. 6, Moscow,

1974.

[20] Vukobratovic M., Potkonjak V., “Two New Methods for Computer Forming of Dynamic Equations of Active



Mechanisms", Journal of Mechanism and Machine Theory, Vol. 14, No. 3, 1979.

[21] Vukobratovic M., Kircanski N., “Computer-Aided Procedure of Forming of Robot Motion Equations in Analytical

Forms”, Proc. VI IFTOMM Congress, New Delhi, pp. 965-973, 1983.

[22] Aldon M.J., Liegeois A., “Computational Aspects in Robot Dynamics Modelling”, Proc. of Advanced Software in

Robotics, Elsevier Science Publishers B.V., Liege, Belgium, May 4-6, pp. 3-14, 1983.

[23] Vukobratovic M., Kircanski M., “A Method for Optimal Synthesis of Manipulation Robot Trajectories", Trans. on

ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 104, No 2, pp. 188-193, 1982.

[24] Vukobratovic M., Kircanski M., “A Dynamic Approach to Nominal Trajectory Synthesis for Redundant

Manipulators", IEEE Trans. on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 14, No. 4, 1984.

[25] Vukobratovic M., Stokic D., “Contribution to the Decoupled Control of Large-Scale Mechanical Systems", IFAC

Automatica, Vol. 16, No. 1, 1980.

[26] Vukobratovic M., Stokic D., “One Engineering Concept of Dynamic Control of Manipulators", Trans. ASME

Journal of Dynamics Systems, Measurement and Control, Vol. 102, June, 1981.

[27] Vukobratovic M., Stokic D., Control of Manipulation Robots: Theory and Application, Springer-Verlag, Berlin,

1982.

[28] Paul C., “Modeling, Trajectory Calculation and Servoing of a Computer Controlled Arm", A. I. Memo 177,



Stanford Artificial Intelligence Laboratory, Stanford University, September, 1972.

[29] Bejczy A., "Robot Arm Dynamics and Control", Technical Memorandum 33-669, JPL, February, 1974.

[30] Pavlov V., Timofeyev A., "Calculation and Stabilization of Programmed Motion of a Moving Robot-Manipulator",

(in Russian) Tekhnicheskaya Kibernetika, No. 6., pp. 91-101, 1976.

[31] Vukobratovic M., Stokic D., Hristic D., “Dynamic Control of Anthropomorphic Manipulators”, Proc. 4th Int.

Symp. Industrial Robots, pp. 229-238, Tokyo, Nov. 1974.

[32] Vukobratovic M., Stokic D., Gluhajic N., Hristic D., “One Method of Control for Large-Scale Humanoid

Systems”, Mathematical Biosciences, Vol. 36, No. 3/4, pp. 175-198, 1977.

[33] Vukobratovic M., Stokic D., “Simplified Control Procedure of Strongly Coupled Complex Non-linear Mechanical

Systems”, (in Russian), Avtomatika and Telemekhanica, also in English, Automatics and Remote Control, Vol. 39, No.

11, 1978.

[34] Stokic D., Vukobratovic M., “Decentralized Regulator and Observer for a Class of Large Scale Non-linear

Mechanical Systems”, Large Scale Systems, Vol. 5, pp. 189-206, 1983.

[35] Stokic D., Vukobratovic M., “Dynamic Stabilization of Biped Posture”, Mathematical Biosciences, Vol. 44, No. 2,

pp. 79-98, 1979.

[36] Vukobratovic M., Stokic D., “Choice of Decoupled Control Law of Large-Scale Systems”, 2nd IFAC Symp. on

Large-Scale Systems, Toulouse, 1980.

[37] Vukobratovic M., Stokic D., Kircanski N, Non-adaptive and Adaptive Control of Manipulation Robots, Springer-

Verlag, Berlin, 1985.

[38] Stokic D., Vukobratovic M., "Practical Stabilization of Robotic Systems by Decentralized Control", Automatika,

Vol. 20, No 3. 1984.

[39] Vukobratovic M., Stokic D., “Sub-optimal Synthesis of a Robust Decentralized Control of Large-Scale Mechanical

Systems”, IFAC Automatica, Vol. 20, No. 6, pp. 803-807, 1984.

[40] Vukobratovic M., Ekalo Y., “Unified Approach to Control Laws Synthesis for Robotic Manipulators in Contact

with Dynamic Environment”, Tutorial S5: Force and Contact Control in Robotic Systems, IEEE Int. Conf. on Robotics

and Automation, pp. 213-229, Atlanta, 1993.

[41] Vukobratovic M., Ekalo Y., “New Approach to Control Manipulators Interacting with Dynamic Environment,

Robotica, Vol. 14, pp.31-39,1996.

[42] De Luca A., Manes C., "Modeling of Robots in Contact with a Dynamic Environment", IEEE Trans. on Robotics

and Automation, Vol. 10, No 4, 1994.

[43] Ekalo Y., Vukobratovic M., “Robust and Adaptive Position/Force Stabilization Conditions of Robotic

Manipulators in Contact Tasks”, Robotica, Vol. 11, pp. 373-386, 1993.

[44] Ekalo Y., Vukobratovic M., “Adaptive Stabilization of Motion and Forces in Contact Tasks for Robotic

Manipulators with Non-Stationary Dynamics”, International Journal of Robotics and Automation, Vol. 9, Issue 3, pp.

91-98, 1994.

[45] Ekalo Y., Vukobratovic M., “Quality of Stabilization of Robot Interacting with Dynamic Environment”, Journal of

Intelligent and Robotic Systems, Vol. 14, pp. 155-179, 1995.

[46] http://www.cyberdyne.jp/English/index.html HAL-5 homepage, active exoskeleton project under the guidance of prof. Sankai.







©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет