Details

Данная работа посвящена имитационному моделированию робототехнических систем и исследованию алгоритмов формирования переменной реакции манипулятора на внешние силовые воздействия для обеспечения безопасного взаимодействия. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Настройка симуляционного окружения ROS/Gazebo для робота-манипулятора UR5. 2. Разработка алгоритмов прямой и обратной кинематики с защитой от сингулярностей. 3. Программная реализация закона управления адмиттансом с переменным коэффициентом демпфирования. 4. Интеграция динамической модели для расчета матрицы инерции в реальном времени. В рамках настоящего исследования была использована среда моделирования Gazebo и платформа ROS, на основе которых собраны массивные фактические данные, включая результаты моделирования траектории движения роботизированного манипулятора, его скорости и отклика на виртуальные силовые воздействия. Расчетные результаты наглядно продемонстрировали, как изменения коэффициента демпфирования влияют на стабильность системы. В ходе анализа были применены методы математического и компьютерного моделирования с использованием библиотек PyKDL и Pinocchio, входящие в состав которых алгоритмы расчета кинематики и динамики твердых тел. В конечном итоге был проведен анализ сквозной системы управления роботом, а также выполнены кинематические и динамические расчеты. Были предложены эффективные алгоритмические решения для устранения недостатков алгоритмов управления, таких как сильные колебания при контакте, и реализовано адаптивное демпфирование. На основе результатов моделирования библиотека Pinocchio была выбрана для инерционной компенсации с целью предотвращения возникновения нестабильности при комбинированном движении. Для достижения указанных результатов в данном исследовании были использованы следующие информационные технологии, включая программное обеспечение, облачные сервисы и базы данных: операционная система Ubuntu 20.04 LTS, метаоперационная система ROS Noetic, среда моделирования Gazebo, инструмент визуализации RViz, язык программирования Python 3, библиотеки PyKDL, Pinocchio и NumPy, а также инструменты анализа данных Matplotlib и rosbag.

This study focuses on the simulation modeling of robotic systems and the analysis of algorithms for generating a variable response of a robotic manipulator to external force disturbances. The proposed approach is aimed at ensuring safe human–machine interaction. The research set the following goals: 1. Setting up the ROS/Gazebo simulation environment for the UR5 robotic manipulator. 2. Development of forward and inverse kinematics algorithms with singularity protection. 3. Software implementation of the admittance control law with a variable damping coefficient. 4. Integration of a dynamic model for real-time inertia matrix calculation. Within the framework of this study, the Gazebo simulation environment and the ROS platform were used, on the basis of which massive experimental data were collected, including simulation results of the trajectory of the robotic manipulator, its velocity, and response to virtual force interactions. The obtained results clearly demonstrated how changes in the damping coefficient affect the stability of the system. The analysis employed methods of mathematical and computer modeling using the PyKDL and Pinocchio libraries, which include algorithms for calculating the kinematics and dynamics of rigid bodies. Ultimately, an analysis of the end-to-end robot control system was carried out, and kinematic and dynamic calculations were performed. Effective algorithmic solutions were proposed to eliminate shortcomings in control algorithms, such as severe oscillations upon contact, and adaptive damping was implemented. Based on the simulation results, the Pinocchio library was selected for inertial compensation in order to prevent the occurrence of instability during combined motion. To achieve these results, the following information technologies were used in this study, including software, cloud services, and databases: Ubuntu 20.04 LTS operating system, ROS Noetic meta-operating system, Gazebo simulation environment, RViz visualization tool, Python 3 programming language, PyKDL, Pinocchio, and NumPy libraries, as well as Matplotlib and rosbag data analysis tools.