Автономний малогабаритний крокуючий робот з вертикальним переміщенням
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Платов І.М. Автономний малогабаритний крокуючий робот з вертикальним переміщенням – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального та важливого науково-практичного завдання розробки та вдосконалення систем керування крокуючих гексаподів для забезпечення їх вертикального руху в обмеженому просторі за рахунок сил тертя. В першому розділі дисертації зроблено огляд та проаналізований сучасний стан та тенденції розвитку наземних робототехнічних засобів, в тому числі роботів вертикального переміщення. Розглянуті основні переваги та недоліки таких засобів, на базі чого було виявлено, що основним недоліком є залежність від дротового зв'язку та обмеженість автономного живлення. Проведено огляд окремого класу - крокуючих роботів, зокрема, багатокінцівкових. Серед розглянутих варіантів виділяються крокуючі гексаподи, оскільки вони мають високий потенціал через їхню прохідність та стійкість при русі, що робить їх потенційно ефективним інструментом для вирішення завдань технічної діагностики, ремонтних робіт, дослідженню, а також задач спеціального призначення у найбільш складних та важкодоступних об'єктах. Розглянуто еволюцію керування крокуючими роботами — від горизонтального руху до вертикального переміщення завдяки силі тертя між паралельними поверхнями. Особливу увагу приділено алгоритмам керування зусиллям та фазами руху кінцівок. Попередні дослідження свідчать, що вертикальне переміщення гексаподів обмежене високою обчислювальною складністю алгоритмів, що перешкоджає роботі в реальному часі та знижує енергоефективність. Також моделі часто ігнорують похибкиприводів і моментні навантаження, що критично для стабільності на нерівних поверхнях. Також зазвичай ідеалізуються умови зчеплення — припускається високий коефіцієнт тертя, нехарактерний для реальних середовищ. Недостатній аналіз змінного тертя та брак адаптивної сенсорики в реальному часі зумовлюють розрив між теоретичними моделями та практичним застосуванням. Таким чином, сучасні підходи потребують подальшого вдосконалення в напрямку підвищення стійкості до невизначеностей та оптимізації обчислювальних витрат для вирішення завдань технічної діагностики, ремонтних робіт, дослідженню, а також задач спеціального призначення у найбільш складних та важкодоступних об'єктах. Виходячи із проведеного огляду виконаних робіт сформовано мету дослідження, яка полягає у вдосконалені системи керування крокуючим гексаподом для реалізації автономного вертикального переміщення за рахунок сили тертя, що виникає внаслідок притискання кінцівок до поверхонь, чим забезпечується утримання платформи гексапода. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі: розглянути стан проблеми; обґрунтувати необхідність та шляхи модернізації існуючих систем керування малогабаритними крокуючими роботами; провести структурно-функціональний синтез системи керування крокуючого гексапода, обґрунтувати принципи генерації траєкторії руху кінцівок та умови статичної та динамічної стабільності при русі; проаналізувати кінематичні і статичні характеристики крокуючого гексапода під час вертикального переміщення, визначення умов стійкості та допустимих зон контактних взаємодій з опорними поверхнями, встановлення залежності впливу параметрів керування та зовнішніх збурень на стабільність руху; вдосконалити алгоритми генерації траєкторії руху кінцівок, оптимізувати енергоспоживання та підвищити адаптивність за рахунок інтеграції та обробки даних інформації з датчиків; розробити макет крокуючого гексапода та провести експериментальні дослідження з метою перевірки працездатності та ефективності запропонованих алгоритмів керування під час вертикального переміщення в умовах обмеженого простору; впровадити отримані результати. У другому розділі дисертаційного дослідження було проведено комплексний аналіз та синтез систем керування гексаподами для вертикального переміщення. Встановлено, що сучасні багаторівневі системи мають подібний функціонал, проте суттєво відрізняються підходами до формування траєкторій. Обґрунтовано доцільність переходу від складних кривих Безьє до використання простих періодичних функцій (циклоїда, дуга еліпса, трикутна, прямокутна та пилоподібна функції), що дозволило знизити обчислювальне навантаження на мікроконтролер та оптимізувати використання пам'яті при збереженні координат прямокутної траєкторії. Для підвищення надійності робота розроблено двоконтурну систему живлення, яка забезпечує виконання місії навіть при відмові основного джерела шляхом переходу на енергоефективні режими. Особливу увагу приділено експериментальним дослідженням енергоефективності на базі серводвигуна MG995. Встановлено, що при вертикальному русі за рахунок сил тертя трипедальна хода є найбільш енергоефективною: розрахунковий час роботи від акумулятора ємністю 2 А·год складає до 1 години, що у 6 разів перевищує показники хвильової ходи. Водночас виявлено, що хвильова хода забезпечує найвищий рівень статичної стійкості. Аналіз геометричних параметрів руху стопи кінцівки показав, що циклоїдальна траєкторія є енергетично вигіднішою порівняно з еліпсоїдальною та пилоподібною. На основі цих даних розроблено адаптивний алгоритм перемикання типів ходи, який динамічно змінює стратегію руху залежно від стану середовища. В результаті була розроблена трирівнева узагальнена схема системи керування (вимірювальний, аналітичний та виконавчий рівні). Проведено синтез блок-схеми з урахуванням конкретних фізичних модулів, що закладає основу для створення прототипу гексапода та верифікації отриманих теоретичних і розрахункових результатів. У третьому розділі дисертаційного дослідження проведено обґрунтування та розробку математичного апарату для керування вертикальним рухом гексапода. Доведено доцільність використання матриць напрямних косинусів формату 3х3, що дозволило зменшити обсяг використовуваної пам’яті на 14.3% порівняно з класичним методом Денавіта–Хартенберга. Для розв’язання зворотної задачі кінематики впроваджено ітераційний метод Ньютона—Рафсона, який забезпечує універсальність алгоритму для складних конфігурацій кінематичних ланцюгів без необхідності виведення громіздких аналітичних рівнянь. Особливу увагу приділено динамічній стійкості та розподілу навантажень. Встановлено, що зміщення центра мас лише на 0.05 м призводить до зростання моментів у суглобах у 7.3 рази, що критично для малопотужних приводів типу MG-995. Запропоновано метод розділення фаз перенесення кінцівок та підйому платформи, що дозволяє уникнути додаткових інерційних навантажень: чисельні розрахунки показали, що одночасний рух платформи і кінцівок вимагає на 50% вищої нормальної сили притиску та вдвічі більших моментів на серводвигунах. Визначено межу працездатності для обраної бази приводів (1.2 Нм): при нахилі платформи понад 70° виникає ризик зриву через нерівномірний розподіл мас. Вперше застосовано багатокритеріальну Паретооптимізацію для вибору параметрів траєкторій за критеріями часу та енергоспоживання. Отримані Парето-рішення продемонстрували, що дуга еліпса є енергетично ефективнішою та швидшою за циклоїду, проте за суворих габаритних обмежень перешкоди обидві поступаються прямокутній траєкторії. Таким чином, вибір траєкторії було переведено з суто геометричного в площину компромісу між мінімізацією енерговитрат та гарантованою повнотою покриття робочої зони кроку. Виявлено, що гладкі функції траєкторій зменшують імпульс при старті/зупинці у 1.84 рази порівняно з кусково-лінійними, запобігаючи відриву від поверхні. На основі отриманих даних розроблено вдосконалений адаптивний алгоритм, який автоматично перемикає типи траєкторій (циклоїдальна, еліптична або прямокутна) залежно від кінематичних обмежень та необхідної енергоефективності. Додатково запропоновано ресурсозберігаючий алгоритм обробки даних з комбінованої системи зору (ультразвуковий та лазерний далекоміри) для точного позиціонування в реальному часі. У четвертому розділі дисертаційного дослідження представлено результати експериментальної перевірки розроблених моделей та алгоритмів на базі спеціально створеного стенда, що імітує вертикальну шахту (висота 1.25 м, ширина регульована від 0.4 до 0.65 м). Для апробації було розроблено макетний зразок гексапода масою 2.12 кг, оснащений серводвигунами MG-995 (момент до 1.2 Нм) та трирівневою системою керування. Особливу увагу приділено калібруванням: використання кубічних сплайнів при калібруванні приводів дозволило зменшити середню похибку кута повороту серводвигуна до 0.372°, що на 272% точніше за лінійну інтерполяцію. Експериментально підтверджено переваги запропонованого модифікованого способу підйому (розділення фаз переносу кінцівок та руху платформи). Встановлено, що класична трипедальна хода втрачає стійкість при додатковому навантаженні понад 5.66% від повної маси конструкції (2.12 кг) через динамічні сили інерції, тоді як модифікований підхід забезпечує стабільне утримання конструкції з усіма шістьма точками контакту. Хвильова хода продемонструвала найвищу вантажопідйомність, забезпечивши переміщення корисного навантаження масою 19.811% від повної маси конструкції, що у двічі перевищує можливості стандартної трипедальної ходи. В ході дослідження автономності (акумулятор 2 А·год, 3.7 В) виявлено наступні закономірності: найбільш енергоефективним режимом визначено трипедальну ходу з циклоїдальною траєкторією (швидкість приводів 5.2 рад/с). Біпедальна та хвильова ходи скорочують час автономної роботи на 50% та 65% відповідно. Застосування плавних (гладких) траєкторій замість кусково-лінійних дозволяє збільшити час роботи на 20–35% без зміни апаратної конфігурації. Виявлено нездатність ультразвукового далекоміру HC-SR04 працювати в обмеженому просторі через багатократне відбиття хвиль, водночас доведена ефективність лазерного далекоміра VL53L0X, точність яких після калібровки поліноміальною апроксимацією 4-го порядку та фільтрації (осереднення по 15 відлікам) зросла на 99.8%. Незважаючи на апаратні обмеження платформи Arduino Mega 2560 та люфти редукторів, результати статичних тестів у 66.7% випадків підтвердили адекватність розробленої математичної моделі розрахунку контактних сил, що свідчить про готовність алгоритмів до впровадження на більш потужних обчислювальних ядрах (STM32/ESP32). Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: вперше запропоновано спосіб реалізації фази підйому платформи крокуючого гексапода, за рахунок сили тертя, що виникає внаслідок притискання кінцівок до поверхонь, чимзабезпечується утримання платформи гексапода. При такому підході всі кінцівки залишаються в контакті з опорними поверхнями, що підвищує надійність утримання та забезпечує квазистатичну стійкість гексапода під час вертикального переміщення; вперше обґрунтовано адаптивний підхід до формування траєкторій руху кінцівок на основі багатокритеріальної оптимізації за Парето з урахуванням часу виконання руху та енергоспоживання, а також досліджено вплив гладких траєкторних функцій (циклоїдальних та еліптичних) на зменшення інерційних ефектів і запобігання втраті контакту з опорною поверхнею; розроблено та обґрунтовано систему керування вертикальним рухом крокуючого гексапода, що модифікує алгоритми керування рухом за рахунок уточнення геометрії навколишнього простору системою зору із застосуванням недорогих та доступних технічних засобів; запропоновано використання методу визначення контактних сил у системі “гексапод – опорні поверхні” на основі квадратичного програмування, що підвищує надійність вертикального руху та може бути використано на етапі вибору приводів кінцівок. Результати, які були отримані під час дисертаційного дослідження мають практичне значення, яке полягає в розробці функціональної схеми системи керування крокуючим гексаподом; розробці алгоритмів перемикання траєкторій для підвищення адаптивності та енергоефективності; розробці розділеної системи живлення для підвищення надійності у випадку нештатних ситуацій; розробці алгоритмічного та програмного забезпечення для визначення контактних сил та моментів; практична реалізація системи керування гексапода дозволить суттєво підвищити адаптивність та надійність роботи на основі розширення функціональних можливостей системи. Результати дисертаційних досліджень мають практичне впровадження.
Опис
Ключові слова
крокуючий мобільний робот, система координат, робот, лідар, положення кінцівки, стійкість робота, система керування, промислові роботи, система керування рухом, траєкторія, серводвигуни, керування, гексапод, вертикальний рух, енергоспоживання, walking mobile robot, coordinate system, robot, LiDAR, limb position, robot stability, control system, industrial robots, motion control system, trajectory, servo motors, control, hexapod, vertical movement, power consumption
Бібліографічний опис
Платов, І. М. Автономний малогабаритний крокуючий робот з вертикальним переміщенням : дис. … д-ра філософії : 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Платов Ілля Михайлович. – Київ, 2026. – 229 с.