Проекты

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
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

  1. Изучение строения шестиногих роботов и кинематики их движения.
  2. Моделирование шестиногого робота в программе «Solidworks».
  3. Разработка компьютерной модели в «Matlab».
  4. Разработка и анализ алгоритмов адаптации ходьбы.
  5. Моделирование алгоритма походки.
  6. 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