МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНЫЙ РОБОТ Российский патент 2015 года по МПК G05B19/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к робототехнике, и может быть использовано при создании мехатронно-модульных роботов.

Одним из важнейших и перспективных направлений развития современной робототехники связано с разработкой нового класса устройств - многозвенных мехатронно-модульных роботов с адаптивной структурой. Структурный синтез при проектировании реконфигурируемых мехатронно-модульных роботов рассматривается как одновременное автоматизированное решение двух задач выбора: порядка блочно-модульной сборки и варианта настройки априорно периодического закона изменения обобщенных координат (y, z), определяющего алгоритм управления движением.

Известен способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, заключающийся в проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, и последующей фиксации полученных оптимальных решений и робот, полученный при помощи указанного способа (И.М. Макаров, В.М. Лохин, С.В. Манько, М.П. Романов, М.В. Кадочников. ИТ, ″Технологии обработки знаний в задачах управления автономными мехатронно-модульными реконфигурируемыми роботами″, приложение к ″Информационные технологии″ №8, М.: Новые технологии, 2010, стр.3-7, рис.14 - прототип).

Указанный способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов заключается в создании конкретных модулей и запоминании конкретных положений отдельных модулей для решения целевых задач.

Недостатками данного технического решения является его значительная сложность, низкая эффективность ориентации в окружающей среде реконфигурируемых мехатронных устройств, преимущественно мехатронно-модульных роботов.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание мехатронно-модульного робота, применение которого позволит ускорить процесс синтеза, а также повысит эффективность ориентации в окружающей среде и надежность работы создаваемых мехатронных устройств, преимущественно мехатронно-модульных роботов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предложенный мехатронно-модульный робот согласно изобретению состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой тождественных модулей, предпочтительно двух и более, первичного и вновь с ним сопрягаемого/ых, имеющих интерфейсные площадки для стыковки, при этом первичный модуль является управляющим модулем по отношению к последующим, с ним стыкуемым, при этом стыкуемые с ним модули имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль, причем количество модулей, объединяемых в упомянутый робот, определено из соотношения: n=1, N, где: n - количество модулей, объединяемых в один робот, определено из соотношения n=1+x₁+2x₂+4x₃+8x₄, где: x₁,x₄=1,0-количество интерфейсных площадок на модуле, N≤16 - предельное количество модулей, которые могут быть объединены в один робот, при этом сопряжение каждого нового модуля с ранее собранным/и осуществлено вдоль выбранного направления и обеспечено стыковкой его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду, причем интерфейсные площадки каждого модуля выполнены с возможностью стыковки с аналогичными площадками, по крайней мере, в четырех диаметрально противоположных направлениях, при этом альтернативные переменные для алгоритмов управления синтезированной мехатронно-модульной конструкцией для описания параметров периодического закона движения выбраны из следующего соотношения:

Angle=А+В sin(ωt+φ),

где: A - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение; B - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты, причем суммарная величина не превышает максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля; φ - смещение фазы периодического движения.

В варианте исполнения для оптимизационного структурного синтеза, выбраны значения альтернативных переменных, обеспечивающих максимальное значение функции:

$$\sout{\int }=\frac{{\left[y\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)\right]}^2+{\left[z\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)\right]}^2}{N\left(\overline{x_1,x_{4n}}\right)N_c\left(\overline{x_{10},x_{41n}}\right)}\to \max$$

при ограничениях n=1, N

$$\begin{array}{l}\left|A_1\left(\overline{x_{10},x_{12n}}\right)+B_1\left(\overline{x_{14n},x_{17n}}\right)\right|\le y^{\max },\\ \begin{array}{c}\left|A_2\left(\overline{x_{26},x_{29n}}\right)+B_2\left(\overline{x_{30n},x_{33n}}\right)\right|\le z^{\max }\\ \overline{x_1,x_{41n}}=\{\begin{array}{c}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}\end{array}\end{array}$$

где: y^max, z^max - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показаны отдельные мехатронно-модульные роботы со свободными интерфейсными площадками, на фиг.2 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде многоугольника, на фиг.3 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде квадрата, на фиг.4 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде прямоугольника.

Мехатронно-модульный робот 1 состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой модулей, первичного 2 и вторичного 3. Один из двух сопрягаемых между собой модулей, преимущественно первичный 2, является управляющим по отношению к другому, вторичному 3, с ним стыкуемым, при этом стыкуемые с модулем 2 вторичные модули 3 имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль 1, причем указанная иерархия в структуре мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении модулей до формирования окончательной структуры мехатронно-модульного робота. Сопряжение каждого нового модуля с ранее собранным/и осуществлено вдоль выбранного направления и обеспечено стыковкой его первой свободной интерфейсной площадки 4 с одной из свободных аналогичных площадок 4 на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду. Несвободная интерфейсная площадка 5 образована за счет стыковки между собой двух свободных интерфейсных площадок 4.

Предложенный мехатронно-модульный робот может быть создан следующим образом.

Рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении.

Обозначают количество модулей 2 и 3, объединяемых в один мехатронно-модульный робот 1, без четко выраженной структуры, $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ Тогда в двоичном исчислении получают при N≤16, где: N - количество сторон, n - количество возможный итераций.

$$\begin{array}{c}n=1+x_1+2x_2+4x_3+8x_4,\\ где\overline{x_1,x_4}=\{\begin{array}{c}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}\end{array}$$

При блочно-модульной сборке робота 1 полагают, что сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными осуществляется вдоль выбранного направления и обеспечивается стыковкой его первой свободной интерфейсной площадки 4 с одной из свободных аналогичных интерфейсных площадок 4 на любых других модулях 2 и 3, как элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду.

Выделяют этот алгоритм преимущественно как Асб. Описание порядка сборки приводят к указанию направления и места крепления очередного элемента с использованием алгоритма Асб.

В направлении для стыковки n-го модуля пет принимают четыре значения n_cm=1 - север, n_cm=2 - восток, n_cm=3 - юг, n_cm - 4 - запад и представляют через альтернативные переменные:

$$\begin{array}{c}{n}_{cm.n}=1+x_{5n}+2x_{6n},\\ гдеn=\overline{\mathrm{1,}N,}{x}_{5n},x_{6n}=\{\begin{array}{c}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}\end{array}$$

Номер площадки, выбираемой для стыковки n-го модуля в двоичном исчислении, записывают в следующем виде:

$$\begin{array}{l}{n}_{cm.n}=1+x_{7n}+2x_{8n}+4x_{9n},\\ гдеn=\overline{\mathrm{2,}n,}\overline{x_{7n},x_{9n}}=\{\frac{\mathrm{1,}}{0.}\end{array}$$

Альтернативные переменные для описания параметров периодического закона вводят следующим образом:

Angle=А+В sm(cjt+(р),

где: A - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение;

B - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты; суммарная величина $$\left|A\right|+\left|B\right|$$ не должна превышать максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля;

φ - смещение фазы периодического движения.

Настройкой параметров этого закона определяют алгоритмы управления, синтезируемой мехатронно-модульной конструкции. Указанные параметры характеризуются дискретными значениями, имеющими соответствующие численные номера в пределах N≤16.

Затем для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных , обеспечивающих максимальное значение функции.

$$\sout{\int }=\frac{{\left[y\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)\right]}^2+{\left[z\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)\right]}^2}{N\left(\overline{x_1,x_{4n}}\right)N_c\left(\overline{x_{10},x_{41n}}\right)}\to \max$$

при ограничениях n=1, N

$$\begin{array}{l}\left|A_1\left(\overline{x_{10},x_{12n}}\right)+B_1\left(\overline{x_{14n},x_{17n}}\right)\right|\le y^{\max },\\ \begin{array}{c}\left|A_2\left(\overline{x_{26},x_{29n}}\right)+B_2\left(\overline{x_{30n},x_{33n}}\right)\right|\le z^{\max }\\ \overline{x_1,x_{41n}}=\{\begin{array}{c}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}\end{array}\end{array}$$

где y^max, z^max - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.

Для нахождения максимального значения функции fдачи используют рандомизированной алгоритм многоальтернативной оптимизации, который дополняют еще одним уровнем в рамках управляемого роя частиц.

Для синхронизации процедуры метода роя частиц и вариационной процедуры многоальтернативной оптимизации на каждом шаге управляют выбором частицы для обновления скорости изменения координат, которую осуществляют с использованием рандомизированной схемы. С этой целью вводят случайную дискретную величину m, которая принимает значение m=1, М с вероятностью pn. На первом шаге получают:

$$p_n^1=\frac{1}{N}{\forall }_n=\overline{\mathrm{1,}N}$$

Далее изменение значений $$p_n^k$$ при условии $${\displaystyle \sum {}_{n=1}^M{p}_n^{\nu k}=1}$$ осуществляют следующим образом. Определяют значение случайной величины $$\tilde{n}$$ . Пусть $$\tilde{n}=\nu$$ . Тогда скорости изменения координат на (k+1)-м шаге вычисляются:

$${\nu }_{mn}^{r+1}=\{\begin{array}{c}{\nu }_{mn}^r,\forall n=\overline{\mathrm{1,}N,}n\ne \nu ,\\ p_{B_{mn}}^{r+1}[q_{z_{mn}}^r\text{æ}\left({\nabla }_{1m}F\right)-p_{z_{mn}}^r\text{æ}\left(-{\Delta }_{1mn}F\right)\\ n=\nu \end{array}$$ ,

а значение вероятностей p _n :

$$p_n^{k+1}=\{\begin{array}{c}\frac{p_n^k}{1+{\epsilon }^{k+1}}\forall n=\overline{\mathrm{1,}N},n\ne \nu ,\\ \frac{p_n^k+{\epsilon }^{k+1}}{1+{\epsilon }^{k+1}},n=\nu .\end{array}$$

При этом величина ε>0 определяет степень рекордности движения ν-й частицы в направлении к экстремуму оптимизируемой функции.

Предложенный мехатронно-модульный робот функционирует следующим образом.

Произвольно выбирается управляющий первичный модуль 2 со свободной интерфейсной площадкой 4 и стыкуется с любым произвольно выбранным вторичным модулем 3 с аналогичной свободной интерфейсной площадкой 4. При стыковке между собой двух свободных интерфейсных площадок 4 образуется несвободная интерфейсная площадка 5. Дальнейшее присоединение свободных модулей 3 к образованному модулю, состоящему из двух первоначально соединенных между собой управляющего модуля 2 и вторичного 3, происходит вдоль выбранного направления с образованием требуемой конечной структуры мехатронно-модульного робота.

Использование предложенного технического решения позволит проводить синтез структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов с последующим фиксированием полученных оптимальных решений с последующим повышением количества возможных итераций мехатронно-модульного робота при значительном сокращении времени синтеза.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к робототехнике, и может быть использовано при создании мехатронно-модульных роботов. Технический результат заключается в повышении эффективности ориентации в окружающей среде реконфигурируемых мехатронных устройств, преимущественно мехатронно-модульных роботов. Мехатронно-модульный робот состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой модулей, предпочтительно двух и более, первичного и вновь с ним сопрягаемого/ых, при этом один из двух сопрягаемых между собой модулей, преимущественно первичный, является управляющим по отношению к другому/им, вторичному/ым, с ним стыкуемому/им, причем указанная иерархия в структуре мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении модулей до формирования окончательной структуры мехатронно-модульного робота, при этом сопряжение каждого нового модуля с ранее собранным/и осуществлено вдоль выбранного направления и обеспечено стыковкой его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мехатронно-модульный робот, характеризующийся тем, что он состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой тождественных модулей, первичного и вновь с ним сопрягаемого/ых, имеющих интерфейсные площадки для стыковки, при этом первичный модуль является управляющим модулем по отношению к последующим, с ним стыкуемым, при этом стыкуемые с ним модули имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль, причем количество модулей, объединяемых в упомянутый робот, определено из соотношения: n=1,N, где: n - количество модулей, объединяемых в один робот, определено из соотношения n=1+x₁+2x₂+4x₃+8x₄, где: x₁,x₄=1,0 - количество интерфейсных площадок на модуле, N≤16 - предельное количество модулей, которые могут быть объединены в один робот, при этом сопряжение каждого нового модуля с ранее собранным/и осуществлено вдоль выбранного направления и обеспечено стыковкой его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду, причем интерфейсные площадки каждого модуля выполнены с возможностью стыковки с аналогичными площадками, по крайней мере, в четырех диаметрально противоположных направлениях, при этом альтернативные переменные для алгоритмов управления синтезированной мехатронно-модульной конструкцией для описания параметров периодического закона движения выбраны из следующего соотношения:

где: А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение; В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты, причем суммарная величина |А|+|В| не превышает максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля; φ - смещение фазы периодического движения.

2. Мехатронно-модульный робот по п. 1, отличающийся тем, что для оптимизации структурного синтеза используют функцию f - рандомизированного алгоритма многоальтернативной оптимизации с выбором значений альтернативных переменных обеспечивающих максимальное значение функции:

при ограничениях n=1,N

где: y^max, z^max  - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.