СПОСОБ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ДЛЯ СОЗДАНИЯ МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНЫХ РОБОТОВ Российский патент 2016 года по МПК G05B19/00 

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

Одно 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.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 способа 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 и способа многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов для его создания, применение которых 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 в предложенном способе многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза для создания мехатронно-модульных роботов согласно изобретению при проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, состоящих как минимум из двух совокупностей сопряженных между собой тождественных модулей, предпочтительно трех и более, при этом каждая совокупность состоит как минимум из двух сопряженных между собой модулей, предпочтительно двух и более, первичного и вновь с ним сопрягаемого/ых вторичного/ых, имеющих интерфейсные площадки для стыковки, при этом один из двух сопрягаемых между собой модулей, преимущественно первичный, является управляющим по отношению к другому/им, вторичному/ым, с ним стыкуемому/ым, причем указанная иерархия в структуре совокупностей мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении совокупностей до формирования окончательной структуры мехатронно-модульного робота, 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+2х₂+4х₃+8х₄, где: x₁, x₄=1,0 - количество интерфейсных площадок на модуле, N≤16 - предельное количество модулей, которые могут быть объединены в один робот, при этом в каждой совокупности стыкуемые с управляющим модулем вторичные модули имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль, и последующем фиксировании полученных оптимальных решений рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно без четко выраженной структуры, и обеспечивают сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными вдоль выбранного направления и стыковку 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 выполняют с возможностью стыковки с аналогичными площадками, по крайней мере, в четырех диаметрально противоположных направлениях, после чего вводят альтернативные переменные для описания параметров периодического закона движения следующим образом:

Angle=А+Вsin(ωt+φ),

где: А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение; В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты; причем суммарная величина |A|+|B| не превышает максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля; φ - смещение фазы периодического движения; при этом настройкой параметров этого закона определяют алгоритмы управления синтезируемой мехатронно-модульной конструкции, причем для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных $$\overline{x_1^{*},x_{41n}^{*}}$$ , обеспечивающих максимальное значение функции:

$$f=\frac{{[y\left(\overline{x_1,x_4{}_{1n}}\right)]}^2+{[z\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)]}^2}{N\left(\overline{x_1,x_{4n}}\right)N_c\left(\overline{x_{10},x_{41n}}\right)}\to \max$$

при ограничениях n=1, N

$$|A_1\left(\overline{x_{10},x_{12n}}\right)+B_1\left(\overline{x_{14},x_{17n}}\right)|\le y^{\max }$$ ,

$$|A_2\left(\overline{x_{26},x_{29n}}\right)+B_2\left(\overline{x_{30},x_{33n}}\right)|\le z^{\max }$$

$$\overline{x_1,x_{41n}}=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}$$

где: y^max, z^max - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения, причем для нахождения максимального значения функции f используют рандомизированный алгоритм многоальтернативной оптимизации, который дополняют еще одним уровнем в рамках управляемого роя частиц.

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.

Предложенный способ может быть реализован при помощи мехатронно-модульного робота, имеющего следующую конструкцию.

Мехатронно-модульный робот 1 состоит как минимум из двух совокупностей 2 и 3 сопряженных между собой модулей 4, 5 и 6.

Один из двух сопрягаемых между собой модулей, преимущественно первичный 4, выполнен управляющим по отношению к другому, вторичному, 5, с ним стыкуемому, причем указанная иерархия в структуре совокупностей мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении совокупностей до формирования окончательной структуры мехатронно-модульного робота. В каждой совокупности стыкуемые с управляющим модулем 4 вторичные модули 5 имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль 4. В свою очередь, модуль 5, являющийся вторичным и управляемым по отношению к модулю 4, является первичным и управляющим по отношению к модулю 6. Указанная иерархия в структуре совокупностей мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении совокупностей 2 и 3 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 7 с одной из свободных аналогичных площадок 7 на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду.

Несвободная интерфейсная площадка 8 образована за счет стыковки между собой двух свободных интерфейсных площадок 7.

Предложенный способ по созданию мехатронно-модульного робота может быть реализован следующим образом.

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

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

n=1+х₁+2х₂+4х₃+8х₄

где $$\overline{x_1,x_4}=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}\\ 0\end{array}$$ .

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 7 с одной из свободных аналогичных интерфейсных площадок 7 на любых других модулях 4, 5 и 6, 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 n_cт принимают четыре значения n_ст=1 - север, n_ст=2 - восток, n_ст=3 - юг, n_ст=4 - запад и представляют через альтернативные переменные:

n_cт.n=1+x_5n+2x_6n,

где $$\overline{n=\text{1}\text{,N}}$$ , $$x_{5n},x_{6n}=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}\\ 0\end{array}$$ .

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

n_cт.n=1+x_7n+2x_9n

где $$\overline{n=\text{2}\text{,N}}$$ , $$\overline{x_{7n},x_{9n}}=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}\\ 0\end{array}$$ .

Альтернативные переменные для описания параметров периодического закона вводят следующим образом:

Angle=А+Вsin(ωt+φ),

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

В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты; суммарная величина |A|+|B| 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 $$\overline{x_1^{*},x_{41n}^{*}}$$ , обеспечивающих максимальное значение функции:

$$f=\frac{{[y\left(\overline{x_1,x_4{}_{1n}}\right)]}^2+{[z\left(\overline{x_1,x_{41n}}\right)]}^2}{N\left(\overline{x_1,x_{4n}}\right)N_c\left(\overline{x_{10},x_{41n}}\right)}\to \max$$

при ограничениях n=1, N

$$|A_1\left(\overline{x_{10},x_{12n}}\right)+B_1\left(\overline{x_{14},x_{17n}}\right)|\le y^{\max }$$ ,

$$|A_2\left(\overline{x_{26},x_{29n}}\right)+B_2\left(\overline{x_{30},x_{33n}}\right)|\le z^{\max }$$

$$\overline{x_1,x_{41n}}=\{\begin{array}{l}\mathrm{1,}\\ 0.\end{array}$$

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

Для нахождения максимального значения функции f используют рандомизированный 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 p_n.На первом шаге получают:

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

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

$$v_{mn}^{r+1}=\{\begin{array}{l}{v}_{mn}^r,\forall n=\overline{\mathrm{1,}N},n\ne v,\\ p_{B_{mn}}^{r+1}[q_{z_{mn}}^r\ae ({\nabla }_{1m}F)-q_{z_{mn}}^r\ae (-{\Delta }_{1mn}F),\\ n=v\end{array}$$ ,

а значение вероятностей р_n:

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

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

Предложенный способ при помощи указанного мехатронно-модульного робота может быть реализован следующим образом.

Выбирается первичный управляющий модуль 4 со свободной интерфейсной площадкой 7 и стыкуется с любым произвольно выбранным модулем 5 с аналогичной свободной интерфейсной площадкой 7. При стыковке между собой двух свободных интерфейсных площадок 7 образуется несвободная интерфейсная площадка 8. Дальнейшее присоединение свободных модулей 6 к образованному модулю, состоящему из двух соединенных между собой модулей 4 и 5, происходит вдоль выбранного направления с образованием требуемой конечной структуры мехатронно-модульного робота.

Совокупность 2 или 3 образована модулями 4, 5 и 6, состыкованными в заданном порядке между собой.

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

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании мехатронно-модульных роботов. Технический результат заключается в обеспечении многоальтернативной оптимизации моделей за счет автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов. Синтез осуществляют как минимум из двух совокупностей сопряженных между собой тождественных модулей и фиксировании оптимальных решений, вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно без четко выраженной структуры, и сопрягают и стыкуют каждый новый модуль с ранее собранными вдоль выбранного направления его первой интерфейсной площадки с одной из свободных площадок элементов конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение. Для нахождения максимального значения функции используют рандомизированный алгоритм многоальтернативной оптимизации. 4 ил.

Способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза для создания мехатронно-модульных роботов, характеризующийся тем, что при проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, состоящих как минимум из двух совокупностей сопряженных между собой тождественных модулей, при этом каждая совокупность состоит как минимум из двух сопряженных между собой модулей, первичного и вновь с ним сопрягаемого/ых вторичного/ых, имеющих интерфейсные площадки для стыковки, при этом один из двух сопрягаемых между собой модулей, преимущественно первичный, является управляющим по отношению к другому/им, вторичному/ым, с ним стыкуемому/ым, причем указанная иерархия в структуре совокупностей мехатронно-модульного робота соблюдается при последующем сопряжении совокупностей до формирования окончательной структуры мехатронно-модульного робота, причем количество модулей, объединяемых в упомянутый робот, определено из соотношения: n=l, N, где: n - количество модулей, объединяемых в один робот, определено из соотношения n=l+х₁+2x₂+4x₃+8x₄, где: x₁, x₄=l,0 - количество интерфейсных площадок на модуле, N≤6 - предельное количество модулей, которые могут быть объединены в один робот, при этом в каждой совокупности стыкуемые с управляющим модулем вторичные модули имеют возможность к самостоятельному осуществлению алгоритма сборки и синтеза структуры робота на более низком уровне, чем упомянутый управляющий модуль, и последующем фиксировании полученных оптимальных решений рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно без четко выраженной структуры, и обеспечивают сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными вдоль выбранного направления и стыковку 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 выполняют с возможностью стыковки с аналогичными площадками, по крайней мере, в четырех диаметрально противоположных направлениях, после чего вводят альтернативные переменные для описания параметров периодического закона движения следующим образом:
Angle=А+В sin(ωt+φ),
где: А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение; В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты; причем суммарная величина |A|+|В| не превышает максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля; φ - смещение фазы периодического движения; при этом настройкой параметров этого закона определяют алгоритмы управления синтезируемой мехатронно-модульной конструкции, причем для оптимизации структурного синтеза используют функцию f рандомизированного алгоритма многоальтернативной оптимизации с выбором значений альтернативных переменныхобеспечивающих максимальное значение функции:

при ограничениях n=1,N


где: y^max, z^max - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения, причем для нахождения максимального значения функции f используют рандомизированный алгоритм многоальтернативной оптимизации, который дополняют еще одним уровнем в рамках управляемого роя частиц.