Введение к работе
Актуальность работы. Дистанционное управление робототехническими системами на настоящий день является одним из самых активно развивающихся направлений робототехники. Это обусловлено, в частности, увеличением количества проводимых работ, в которых присутствие человека нежелательно или невозможно (работы в космическом пространстве, глубоководные исследования, работы в отрасли ядерной энергетики, работы со взрывоопасными веществами и предметами и др.), а также ростом числа задач высокоточного манипулирования, для выполнения которых человеку необходимы вспомогательные технические средства. Существует множество работ, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами, однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционно управляемым прецизионным робототехническим системам.
В данной работе представлено исследование дистанционно управляемых робототехнических систем, предназначенных для выполнения операций прецизионного манипулирования микрообъектами, что является актуальной задачей во многих медицинских, технологических и промышленных операциях, таких, как малоинвазивная и микрохирургия, сборка микроэлектроники, внутриплазматическая и внутриядерная инъекция ДНК в живые клетки в сфере биотехнологий, стыковка молекул в химической промышленности и других. Данные задачи предъявляют исключительно высокие требования к точности позиционирования микроскопических объектов, вызванные как малыми размерами самих объектов манипулирования, так и их чувствительностью к внешним воздействиям. Рядом исследователей было экспериментально показано, что введение в дистанционно управляемую систему канала силовой обратной связи, в дополнение к существующему визуальному каналу, позволяет существенно повысить показатели качества манипулирования, а именно: снизить перерегулирование, увеличить точность позиционирования, уменьшить временные затраты и утомляемость человека-оператора.
Целью исследования является повышение качества манипулирования (уменьшение перерегулирования, сокращение времени выполнения контактных операций, снижение ошибки при позиционировании объекта) микроскопическими объектами с помощью специализированных дистанционно управляемых робототсхнических систем, что достигается при помощи создания
канала силовой обратной связи на основе изображения области манипулирования.
Для достижения поставленной в работе цели решались следующие задачи:
-
Анализ специфики операций микроманипулирования и формирование требований к дистанционно управляемой микроробототехнической системе.
-
Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования системы управления, а также анализ ее устойчивости.
-
Разработка метода оценки силы взаимодействия рабочего органа с объектом манипулирования на основе изображения.
-
Разработка и экспериментальное исследование исполнительного манипулятора, наиболее подходящего для выбранных операций микроманипу-лирования.
-
Экспериментальное исследование разработанной дистанционно управляемой микроробототехнической системы.
Научная новизна исследования заключается:
в структуре ДУ МРТС, включающей в себя канал силовой обратной связи, создаваемой на основе изображения области манипулирования;
в алгоритме генерации силовой обратной связи на основе визуальной информации о поведении объекта манипулирования при контакте с рабочим органом манипулятора;
в математической модели системы дистанционного управления прецизионным манипулятором с разработанным алгоритмом оценки силы;
в определении влияния визуально-силового канала обратной связи на качество процессов управления дистанционно управляемыми микроробото-техническими системами путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.
Методы исследования. Использованы методы теории автоматического управления, информатики, дифференциальных уравнений, обработки изображения, распознавания контуров. Разработка программных средств системы управления выполнена с использованием технологии объектно-ориентированного
программирования на языке C++, алгоритм обработки изображения разработан с использованием библиотеки OpenCV для среды C++. Исследование алгоритмов управления проведено экспериментально и путем математического моделирования с использованием пакетов MATLAB и Simulink. Для наблюдения за объектом манипулирования был выбран микроскоп Motic ЛЕЗІ. В качестве задающего устройства использован настольный манипулятор Phantom Omni производства Sensable Technologies, а исполнительное устройство изготовлено согласно разработанным автором чертежам с использованием двигателей постоянного тока Maxon RE-25, оснащенных энкодерами Махоп и волновыми передачами Harmonic Drive LLC CSF-5. Практическая значимость работы заключается в следующем:
применение предложенного алгоритма генерации силовой обратной связи на основе изображения позволяет повысить показатели качества микроскопического манипулирования (уменьшить перерегулирование, увеличить точность, снизить время, необходимое для выполнения поставленных задач);
определены требования к разработке дистанционно управляемых робото-технических систем, соответствующие специфике операций микроманипулирования;
разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик и устойчивости системы управления;
разработан экспериментальный стенд для выполнения операций микроскопического манипулирования, включающий в себя исполнительное устройство с оригинальной параллельной архитектурой.
Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научных форумах:
Международной научной конференции "KIIS Fall Conference 2009", организованной Корейским Обществом Интеллектуальных Систем (KIIS), 2009 год, г. Сеул, Южная Корея;
Международной научной конференции "IEEE/ASME Advanced Intelligent Mechatronics" (IEEE/ASME AIM 2008), организованной Институтом ин-
женеров по электротехнике и электронике (IEEE) и американским обществом инженеров-механиков (ASME), 2008 год, г. Сиан, Китай;
Международной научной конференции "Вибрация-2008", г. Курск, Российская Федерация;
Международной научной конференции "IEEE International Conference on Intelligent Computing" (ICIC 2007), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2007 год, г. Чиндао, Китай;
Научных семинарах на кафедре "Робототехника и мехатроника" ФГБОУ МГТУ "СТАНКИН";
Научных семинарах в лаборатории "Центр интеллектуальных систем" Корейского Технологического Университета, г. Чхонан, Южная Корея.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде 3 статей в научных рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, а также в виде статей в сборниках международных рецензируемых научных конференций и журналов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка, 7 таблиц и список литературы, включающий 71 наименование.
