Шестиногий робот-марсоход, адаптирующийся к местности
Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Поиск» среди работ учащихся 10−11 классов |
Направление работы: Робототехника
Авторы работы: ГБОУ Бауманская инженерная школа № 1580
Email: Написать
Предметы: Физика, Математика, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года
|
Актуальность
В настоящее время интерес к космосу, космической робототехнике растёт с каждым днём. Роботов отправляют для исследования космоса, не беспокоясь об их безопасности. Необходимо, чтобы они оставались в строю достаточно долго для исследования и отправки нам информации об их пунктах назначения. Отправка робота в космос намного дешевле, чем отправка человека. Роботы могут выживать в космосе в течение многих лет и могут быть оставлены там – им не нужно возвращаться. Они могут противостоять суровым условиям, таким как экстремальные температуры или высокий уровень радиации. На данный момент на поверхности Марса находятся два марсохода: inSight и Curiosity. Также планируется запуск трёх марсоходов: Розалинд Франклин, НАСА «Марс-2020», марсоход из китайской миссии на Марс-2020. Следовательно, запуск марсоходов является перспективным направлением. Все вышеперечисленные марсоходы являются колёсными. Их главный недостаток – низкая проходимость по пересечённой местности.
Цель
Разработать математическую модель робота в программе «Matlab» с нейросетевыми алгоритмами для адаптации походки к местности.
Задачи
- Изучение строения шестиногих роботов и кинематики их движения.
- Моделирование шестиногого робота в программе «Solidworks».
- Разработка компьютерной модели в «Matlab».
- Разработка и анализ алгоритмов адаптации ходьбы.
- Моделирование алгоритма походки.
- Создание упрощённого прототипа для проверки работоспособности.
Оснащение и оборудование, использованное при создании работы
- Компьютер
- Программное обеспечение «Matlab», «Solidworks»
- Детали для шестиногого робота
Описание
Для создания автором шестиногого робота выбран правильный шестиугольник с диагональю 1м, круговая конфигурация ног по 4 звена на ногу (первая часть (0,3м), вторая (0,4м), третья (0,3м), четвёртая (0,35м) – это звено обеспечивает большую площадь контакта как «стопа», таким образом, увеличивает проходимость.
Походка гексапода шестиногих насекомых. Чем больше ног в фазе перехода, тем больше скорость гексапода, а чем больше ног в фазе опоры, тем больше стабильность походки.
После проведения процесса импорта в matlab генерируется Simulink схема робота. Из этой схемы путём добавления управления, сенсоров положения робота создана схема робота, на которой тестировались походки. Выбрана походка, на которую хватит вычислительной мощности ПК.
Принцип: запускается симуляция, агент (нейронная сеть) управляет роботом до тех пор, пока не выполняется одно из условий прекращения симуляции, и затем рассчитывается награда.
Результаты работы/выводы
В ходе работы создана математическая модель шестиногого робота в программе «Solidwoks», затем импортирована в программу «Matlab/Simulink» для математического моделирования и обучения искусственной нейронной сети. Проанализировано три способа управления походкой робота, основанных на нейронных сетях. Первый – смена статических походок 3+3, 4+2, 5+1 в зависимости от типа местности (смену осуществляет нейронная сеть). Второй – использование обучения с подкреплением для создания походки. Третий – смена походок, сгенерированных заранее нейросетью, которые образуют «карту». Данные методы адаптации помогут роботу передвигаться по поверхности марса. Второй способ управления внедрён и испытан в Matlab.
Выбранный второй тип походки сможет иметь динамическую стабилизацию, что увеличит скорость и устойчивость робота. Однако у этого метода есть недостатки: низкая скорость обучения, непредсказуемость нейросети, высокая чувствительность и сложность создания функции награды.
Перспективы использования результатов работы
Разведка и исследование территории.
При помощи модуля пружинной пушки можно быстро раскидывать датчики или припасы.
При помощи манипулятора можно обслуживать базы на Марсе.
Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы
МГТУ им. Н. Э. Баумана