МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНЫЙ РОБОТ
MECHANOTRONIC MODULAR ROBOT

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.
Известны способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов и робот, полученный при помощи данного способа, 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 с повышенной эффективностью ориентации в окружающей среде.
Решение указанной задачи достигается за счет того, 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, 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 х1, х4=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 |A|+|B| не превышает максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля; φ - смещение фазы периодического движения.
В варианте исполнения, для оптимизационного структурного синтеза, выбраны следующие значения альтернативных переменных , обеспечивающих максимальное значение функции:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>4</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mi>N</mi><msub><mtext></mtext><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>→</mo><mi>max</mi></mrow>
при ограничениях n=1, N
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>14</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>17</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>≤</mo><msup><mi>y</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msup></mrow>
,
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>26</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>29</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>30</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>33</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>≤</mo><msup><mi>z</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0,</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
шах
max
где y, z - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показаны отдельные мехатронно-модульные роботы в виде модулей со свободными интерфейсными площадками, на фиг.2 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких отдельных модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде многоугольника, на фиг.3 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких отдельных модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде квадрата, на фиг.4 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких отдельных модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам, и образующий фигуру в виде ломаного прямоугольника.
Мехатронно-модульный робот 1 состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой модулей 2, предпочтительно двух и более. Сопряжение каждого нового модуля 2 с ранее собранным/и осуществлено вдоль выбранного направления и обеспечено стыковкой его первой свободной интерфейсной площадки 3 с одной из свободных аналогичных площадок 3 на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду. Несвободная интерфейсная площадка 4 образована за счет стыковки между собой двух свободных интерфейсных площадок 3.
Предложенный мехатронно-модульный робот функционирует следующим образом.
Произвольно выбирается модуль 2 со свободной интерфейсной площадкой 3 и стыкуется с любым произвольно выбранным модулем 2 с аналогичной свободной интерфейсной площадкой 3. При стыковке между собой двух свободных интерфейсных площадок 3 образуется несвободная интерфейсная площадка 4. Дальнейшее присоединение свободных модулей 2 к образованному модулю, состоящему из двух соединенных между собой модулей 2, происходит вдоль выбранного направления с образованием требуемой конечной структуры мехатронно-модульного робота.
При создании мехатронно-модульного робота может быть использован следующий способ оптимизации его конструкции.
Рассматривается множество проектных элементов и вводятся соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении.
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Обозначается количество модулей 2, объединяемых в один мехатронно-модульный робот 1, без четко выраженной структуры,
. Тогда в двоичном исчислении получается при N≤16, где N - количество сторон, n - количество возможный итераций.
1
2
3
4
n=1+х+2х+4x+8х,
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0.</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
где
При блочно-модульной сборке робота 1 полагают, что сопряжение каждого нового модуля 2 с ранее собранными осуществляется вдоль выбранного направления и обеспечивается стыковкой его первой свободной интерфейсной площадки 3 с одной из свободных аналогичных интерфейсных площадок 3 на любых других модулях 2, 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.
ст
cт
cт
cт
cт
В направлении для стыковки n-го модуля n принимают четыре значения n=1 - север, n=2 - восток, n=3 - юг, n=4 - запад и представляют через альтернативные переменные:
cm.n
5n
6n
n=1+x+2x,
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>5</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>6</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0.</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
где
,
Номер площадки, выбираемой для стыковки n-го модуля в двоичном исчислении, записывают в следующем виде:
cm.n
7n
8n
9n
n=1+x+2x+4x,
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>2,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>7</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>9</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0.</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
где
,
Альтернативные переменные для описания параметров периодического закона вводят следующим образом:
Angle=A+Bsin(ωt+φ),
где A - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение;
B - 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.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Затем для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных
, обеспечивающих максимальное значение функции.
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>4</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mi>N</mi><msub><mtext></mtext><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>10,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>→</mo><mi>max</mi></mrow>
при ограничениях n=1, N
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>10,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>14</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>17</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>≤</mo><msup><mi>y</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msup></mrow>
,
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>26,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mn>29</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>30</mn><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>33</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>≤</mo><msup><mi>z</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1,</mn></mrow></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mn>41</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn>1,</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0,</mn></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
max
max
где y, z - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.
Для нахождения максимального значения функции 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, M с вероятностью pn. На первом шаге получают
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>n</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><msub><mo>∀</mo><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
.
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></msubsup><mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>n</mi><mrow><msub><mi>ν</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow></mstyle></mrow>
<mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mi>ν</mi></mrow>
Далее изменение значений
при условии
осуществляют следующим образом. Определяют значение случайной величины
. Пусть
. Тогда скорости изменения координат на (k+1)-м шаге вычисляются:
<mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>υ</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mi>r</mi></msubsup><mo>,</mo><mo>∀</mo><mi>n</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mi>n</mi><mo>≠</mo><mi>υ</mi><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>p</mi><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><msubsup><mi>q</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mi>r</mi></msubsup><mtext>æ</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mo>∇</mo><mrow><mn>1</mn><mi>m</mi></mrow></msub><mi>F</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>p</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mi>r</mi></msubsup><mtext>æ</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mo>∇</mo><mrow><mn>1</mn><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mi>F</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mi>υ</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
n
а значение вероятностей p:
<mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>n</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>n</mi><mi>k</mi></msubsup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>ε</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><msub><mo>∀</mo><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>n</mi><mo>≠</mo><mi>ν</mi><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>p</mi><mi>n</mi><mi>k</mi></msubsup><mo>+</mo><msup><mi>ε</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>ε</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>n</mi><mo>=</mo><mi>ν</mi><mo>.</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
При этом величина ε>0 определяет степень рекордности движения ν-й частицы в направлении к экстремуму оптимизируемой функции.
Использование предложенного технического решения позволит создать мехатронно-модульный робот путем проведения синтеза 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.