Алгоритм определения внутренней геометрии манипулятора змеевидного типа при движении лидирующего звена по наращиваемой траектории
Ключевые слова:
змеевидный робот, манипуляторы змеевидного типа, гиперизбыточный манипулятор, угловые шарнирные координаты, траектория движенияАннотация
Сформулированы инвариантная к системе внешних координат форма задания геометрии пространственного кинематически избыточного манипулятора с последовательно ортогональными некомпланарными осями шарниров вращения. Получены аналитические выражения для определения угловых шарнирных координат из условий принадлежности точек шарниров параметрически заданной гладкой кривой, уравнение для координат положения точек на кривой и неравенства-ограничения на взаимное положение смежных звеньев манипулятора. Предложен алгоритм решения уравнения и метод планирования законов изменения шарнирных координат, обеспечивающий перемещения точек шарниров по пространственной траектории, наращиваемой добавлением целевых точек для головного звена манипулятора. Метод применен для планирования движения гиперизбыточного манипулятора с неподвижным основанием и змеевидного робота при перемещении по траектории, выстраиваемой на основе текущих и прогнозируемых положений шарниров в декартовом пространствеЛитература
1. Hirose S. Biologically Inspired Robots: Snake-Like Locomotors and Manipulators // Oxford University Press. 1993. pp. 1–125.
2. Umetani Y., Hirose S. Biomechanical Study of Serpentine Locomotion // Proc.1st RoManSy Symp. '73. 1974. pp. 171–184.
3. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Snake Robots Modelling, Mechatronics, and Control // Springer-Verlag London. 2013. 317 p.
4. Walker I.D., Choset H., Chirikjian G.S. Snake-Like and Continuum Robots // Springer Handbook of Robotics 2nd Edition. Springer. 2016. pp. 481–498.
5. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. A Review on Modelling, Implementation, and Control of Snake Robots // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 1. pp. 29–40.
6. Shao L., Guo B., Wang Y., Chen X. An overview on theory and implementation of snake-like robots // Proceedings of IEEE International Conference Mechatronics and Automation (ICMA). 2015. pp. 70–75.
7. Иванов А.А., Носов В.Н. Кинематика качения змеевидного бесколёсного робота // МАУ. 2002. № 6. С. 16–21.
8. Иванов А.А. Метод планирования формы гиперизбыточного манипулятора с ограниченным диапазоном изменения шарнирных координат // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып. 6 (163). С.112–118.
9. Иванов А.А., Демидов Д.А., Шмаков О.А. Мобильные змеевидные роботы: теория и практика // Известия вузов. Машиностроение. «Специальная робототехника и мехатроника». Специальный выпуск. 2011. С.32–41.
10. Иванов А.А., Шмаков О.А., Демидов Д.А. Змеевидный робот ЗМЕЕЛОК-3 и экспериментальное исследование его локомоций // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып.1(164). С. 132–138.
11. Иванов А.А. и др. Модульный гиперизбыточный манипулятор: архитектура, алгоритмы управления, реализация // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. №2 (3). С. 55–60.
12. Siciliano B., Khatib O. Springer Handbook of Robotics // Springer. 2008. 1611 p.
13. Roa D., Melo K. Mechanical Stability Margin for Scouting Poses in Modular Snake Robots // Proceedings of IEEE International Symposium on Safety, Security and Rescue Robotics. 2016. pp. 182–188.
14. Melo K. Modular Snake Robot Velocity for Side-Winding Gaits // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2015. pp. 3716–3722.
15. Nor N.M., Ma S. CPG-based Locomotion Control of a Snake-like Robot for Obstacle Avoidance // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation. 2014. pp. 347–352.
16. Gray J. The mechanism of locomotion in snakes // Journal of Experimental Biology. 1946. vol. 23. no. 2. pp. 101–120.
17. Иванов А.А. Анализ конструктивных компоновок двухстепенного мехатронного модуля для змеевидного робота // Экстремальная робототехника. Сборник докладов международной научно-технической конференции. 2011. С.104–110.
18. Wright C. et al. Design of a modular snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference Intelligent Robots and Systems. 2007. pp. 2609–2614.
19. Wright C. et al. Design and Architecture of the Unified Modular Snake Robot // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2012. pp.4347–4354.
20. Rollinson D., Ford S., Brown B., Choset H. Design and Modeling of a Series Elastic Element for Snake Robots // Proceedings of ASME Dynamic Systems and Control Conference (DSCC). 2013. pp.V001T08A002–V001T08A002.
21. Boyle J.H., Johnson S., Dehghani-Sanij A.A. Adaptive Undulatory Locomotion of a C. elegans Inspired Robot // TMECH. 2013. pp. 439–448.
22. Rollinson D. et al. Design and architecture of a series elastic snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ international conference Intelligent Robots and Systems (IROS 2014). 2014. pp. 4630–4636.
23. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Mamba - A Waterproof Snake Robot with Tactile Sensing // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2014. pp. 294–301.
24. Жилин П.А. Теоретическая механика. Фундаментальные законы механики: учеб. Пособие // СПб.: Изд-во СПбГПУ. 2003. 340 с.
25. Andersson S.B. Discretization of a continuous curve // IEEE Transaction on robotics. 2008. vol. 24. no. 2. pp. 456–461.
26. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / Пер. с англ. // Москва: Мир. 1989. 624 с.
27. Zinkovsky A.V., Sholuha V.A., Ivanov A.A. Mathematical Modelling and Computer Simulation of Biomechanical Systems // World Scientific Publishing. 1997. 216 p.
28. Иванов А.А., Шолуха В.А. Модели опорно-двигательного аппарата человека и животных // В кн.: Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике: учебное пособие. Изд-во Политехн. ун-та. 2004. С.119–154.
29. Кулаков Ф.М., Новаченко С.И., Павлов В.А. Динамическая модель робота // В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л.: ЛПИ. 1974. С.123–126.
30. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами / Учебник для вузов. – 2-е изд., исправ. и доп. // Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2004. 480 с.
31. Revzen S., Bhoite M., Macasieb A., Yim M. Structure synthesis on-the-fly in a modular robot // Proceedings of IEEE International conference Intelligent Robots and Systems (IROS) 2011. pp. 4797–4802.
32. Torres L.G., Alterovitz R. Motion planning for concentric tube robots using mechanics-based models // Proceedings of IEEE/RSJ International conference Intelligent Robots and Systems (IROS). 2011. pp. 5153–5159.
33. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø. Gravdahl J.T. Experimental investigation of obstacleaided locomotion with a snake robot // Proceedings of IEEE Transactions on Robotics. 2011. vol. 99. pp. 1–8.
34. Sato T., Kano K., Ishiguro A. A decentralized control scheme for an effective coordination of phasic and tonic control in a snake-like robot // Bioinspiration & biomimetics. 2011. vol. 7. no. 1. pp. 016005.
35. Johnson A. et al. A Novel Architecture for Modular Snake Robots // Technical Report CMU-RI-TR-11-29. Carnegie Mellon Univ. 2011.
2. Umetani Y., Hirose S. Biomechanical Study of Serpentine Locomotion // Proc.1st RoManSy Symp. '73. 1974. pp. 171–184.
3. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Snake Robots Modelling, Mechatronics, and Control // Springer-Verlag London. 2013. 317 p.
4. Walker I.D., Choset H., Chirikjian G.S. Snake-Like and Continuum Robots // Springer Handbook of Robotics 2nd Edition. Springer. 2016. pp. 481–498.
5. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. A Review on Modelling, Implementation, and Control of Snake Robots // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 1. pp. 29–40.
6. Shao L., Guo B., Wang Y., Chen X. An overview on theory and implementation of snake-like robots // Proceedings of IEEE International Conference Mechatronics and Automation (ICMA). 2015. pp. 70–75.
7. Иванов А.А., Носов В.Н. Кинематика качения змеевидного бесколёсного робота // МАУ. 2002. № 6. С. 16–21.
8. Иванов А.А. Метод планирования формы гиперизбыточного манипулятора с ограниченным диапазоном изменения шарнирных координат // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып. 6 (163). С.112–118.
9. Иванов А.А., Демидов Д.А., Шмаков О.А. Мобильные змеевидные роботы: теория и практика // Известия вузов. Машиностроение. «Специальная робототехника и мехатроника». Специальный выпуск. 2011. С.32–41.
10. Иванов А.А., Шмаков О.А., Демидов Д.А. Змеевидный робот ЗМЕЕЛОК-3 и экспериментальное исследование его локомоций // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". 2012. Вып.1(164). С. 132–138.
11. Иванов А.А. и др. Модульный гиперизбыточный манипулятор: архитектура, алгоритмы управления, реализация // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. №2 (3). С. 55–60.
12. Siciliano B., Khatib O. Springer Handbook of Robotics // Springer. 2008. 1611 p.
13. Roa D., Melo K. Mechanical Stability Margin for Scouting Poses in Modular Snake Robots // Proceedings of IEEE International Symposium on Safety, Security and Rescue Robotics. 2016. pp. 182–188.
14. Melo K. Modular Snake Robot Velocity for Side-Winding Gaits // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2015. pp. 3716–3722.
15. Nor N.M., Ma S. CPG-based Locomotion Control of a Snake-like Robot for Obstacle Avoidance // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation. 2014. pp. 347–352.
16. Gray J. The mechanism of locomotion in snakes // Journal of Experimental Biology. 1946. vol. 23. no. 2. pp. 101–120.
17. Иванов А.А. Анализ конструктивных компоновок двухстепенного мехатронного модуля для змеевидного робота // Экстремальная робототехника. Сборник докладов международной научно-технической конференции. 2011. С.104–110.
18. Wright C. et al. Design of a modular snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference Intelligent Robots and Systems. 2007. pp. 2609–2614.
19. Wright C. et al. Design and Architecture of the Unified Modular Snake Robot // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2012. pp.4347–4354.
20. Rollinson D., Ford S., Brown B., Choset H. Design and Modeling of a Series Elastic Element for Snake Robots // Proceedings of ASME Dynamic Systems and Control Conference (DSCC). 2013. pp.V001T08A002–V001T08A002.
21. Boyle J.H., Johnson S., Dehghani-Sanij A.A. Adaptive Undulatory Locomotion of a C. elegans Inspired Robot // TMECH. 2013. pp. 439–448.
22. Rollinson D. et al. Design and architecture of a series elastic snake robot // Proceedings of IEEE/RSJ international conference Intelligent Robots and Systems (IROS 2014). 2014. pp. 4630–4636.
23. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø., Gravdahl J.T. Mamba - A Waterproof Snake Robot with Tactile Sensing // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2014. pp. 294–301.
24. Жилин П.А. Теоретическая механика. Фундаментальные законы механики: учеб. Пособие // СПб.: Изд-во СПбГПУ. 2003. 340 с.
25. Andersson S.B. Discretization of a continuous curve // IEEE Transaction on robotics. 2008. vol. 24. no. 2. pp. 456–461.
26. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника / Пер. с англ. // Москва: Мир. 1989. 624 с.
27. Zinkovsky A.V., Sholuha V.A., Ivanov A.A. Mathematical Modelling and Computer Simulation of Biomechanical Systems // World Scientific Publishing. 1997. 216 p.
28. Иванов А.А., Шолуха В.А. Модели опорно-двигательного аппарата человека и животных // В кн.: Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике: учебное пособие. Изд-во Политехн. ун-та. 2004. С.119–154.
29. Кулаков Ф.М., Новаченко С.И., Павлов В.А. Динамическая модель робота // В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л.: ЛПИ. 1974. С.123–126.
30. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами / Учебник для вузов. – 2-е изд., исправ. и доп. // Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2004. 480 с.
31. Revzen S., Bhoite M., Macasieb A., Yim M. Structure synthesis on-the-fly in a modular robot // Proceedings of IEEE International conference Intelligent Robots and Systems (IROS) 2011. pp. 4797–4802.
32. Torres L.G., Alterovitz R. Motion planning for concentric tube robots using mechanics-based models // Proceedings of IEEE/RSJ International conference Intelligent Robots and Systems (IROS). 2011. pp. 5153–5159.
33. Liljebäck P., Pettersen K.Y., Stavdahl Ø. Gravdahl J.T. Experimental investigation of obstacleaided locomotion with a snake robot // Proceedings of IEEE Transactions on Robotics. 2011. vol. 99. pp. 1–8.
34. Sato T., Kano K., Ishiguro A. A decentralized control scheme for an effective coordination of phasic and tonic control in a snake-like robot // Bioinspiration & biomimetics. 2011. vol. 7. no. 1. pp. 016005.
35. Johnson A. et al. A Novel Architecture for Modular Snake Robots // Technical Report CMU-RI-TR-11-29. Carnegie Mellon Univ. 2011.
An algorithm for defining the inner geometry of a snakelike manipulator in case of leading link movements along the incremental trajectory
Abstract
In the paper, we have formulated the invariant description form for geometry of a spatial, kinematically redundant manipulator with the orthogonal non-coplanar axes of rotation of the joints. We have obtained the explicit equations for determining the angular coordinates from the condition that points of joints belong to the smooth parametrically given curve. Inequality constraints on the relative position of neighboring parts of the manipulator have been formulated. We have proposed an algorithm for solving equations and the method of planning changes for hinge coordinates for the movement of joints points along the spatial curve that is formed by incremental addition of target points for the head link positions of the manipulator. The method has been applied for planning movements of a hyper-redundant manipulator with a fixed root link and a snakelike robot when moving along the path built on the basis of current and forecasted positions of joints in the Cartesian space.
Опубликован
2016-12-15
Как цитировать
Иванов, А. А., & Шмаков, О. А. (2016). Алгоритм определения внутренней геометрии манипулятора змеевидного типа при движении лидирующего звена по наращиваемой траектории. Труды СПИИРАН, 6(49), 190-207. https://doi.org/10.15622/sp.49.10
Раздел
Алгоритмы и программные средства
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
