Способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к машиностроению, а именно, к робототехнике, и может быть использовано при создании мехатронно-модульных роботов. Технический результат - ускорение процесса синтеза, повышение надежности работы мехатронно-модульных роботов. Предложен способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, в котором при проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, и последующем фиксировании полученных оптимальных решений, рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно, без четко выраженной структуры, и обеспечивают сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными вдоль выбранного направления и стыковку его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду, после чего вводят альтернативные переменные, при этом для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных x 1 * , x 41 n * ¯ , обеспечивающих максимальное значение функции f. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Реферат
Изобретение относится к машиностроению, а именно к робототехнике, и может быть использовано при создании мехатронно-модульных роботов.
Одним 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.
Известен способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, 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 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 способа многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, применение которого позволит ускорить процесс синтеза, а также повысит эффективность ориентации в окружающей среде и надежность работы создаваемых мехатронных устройств, преимущественно, мехатронно-модульных роботов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, согласно изобретению, при проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, состоящих, 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: x1, x4=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, и последующем фиксировании полученных оптимальных решений, рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно, без четко выраженной структуры, и обеспечивают сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными вдоль выбранного направления и стыковку его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду, после чего вводят альтернативные переменные для описания параметров периодического закона следующим образом:
Angle=A+Bsin(ωt+φ),
где: А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение;
В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты; суммарная величина А+В не должна превышать максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля;
φ - смещение фазы периодического движения.
при этом, для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных x 1 * , x 41 n * ¯ , обеспечивающих максимальное значение функции f:
f = [ y ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 + [ z ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 N ( x 1 , x 4 n ¯ ) N c ( x 10 , x 41 n ¯ ) → max
при ограничениях n=1, N
| A 1 ( x 10 , x 12 n ¯ ) + B 1 ( x 14 n , z 17 n ¯ ) | ≤ y max ,
| A 2 ( x 26 , x 29 n ¯ ) + B 2 ( x 30 n , z 33 n ¯ ) | ≤ z max
x 1 , x 41 n ¯ = { 1, 0.
где: ymax, zmax - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения, при этом для нахождения максимального значения функции f, используют рандомизированной алгоритм многоальтернативной оптимизации.
В варианте использования способа, для нахождения максимального значения функции f, рандомизированной алгоритм многоальтернативной оптимизации дополняют еще одним уровнем в рамках управляемого роя частиц.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показаны отдельные мехатронно-модульные роботы со свободными интерфейсными площадками, на фиг.2 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам и образующий фигуру в виде многоугольника, на фиг.3 - мехатронно-модульный робот, состоящий, из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам и образующий фигуру в виде квадрата, на фиг.4 - мехатронно-модульный робот, состоящий, из нескольких модулей, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам и образующий фигуру в виде прямоугольника.
На чертежах под поз.1 обозначен отдельный мехатронно-модульный робот, состоящий из одного модуля, поз.2 - свободная интерфейсная площадка, поз.3 - интерфейсная площадка, использованная для стыковки с другим отдельным мехатронно-модульным роботом, состоящим из одного модуля, поз.4 - мехатронно-модульный робот, состоящий из нескольких модулей 1, соединенных между собой по свободным интерфейсным площадкам 2.
Предложенный способ может быть реализован следующим образом.
Рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении.
Обозначаем количество модулей 1, объединяемых в один мехатронно-модульный робот 4, без четко выраженной структуры, n = 1, N ¯ Тогда в двоичном исчислении получают при N≤16, где: N - количество сторон, n - количество возможный итераций.
n=1+x1+2x2+4x3+8x4,
где x 1 , x 4 ¯ = { 1, 0.
При блочно - модульной сборке робота 4 полагают, что сопряжение каждого нового модуля 1 с ранее собранными осуществляется вдоль выбранного направления и обеспечивается стыковкой его первой интерфейсной площадки 2 с одной из свободных аналогичных интерфейсных площадок 2 на любых других модулях 1, 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.
В направлении для стыковки n-го модуля пет принимают четыре значения ncm=1 - север, ncm=2 - восток, ncm=3 - юг, ncm=4 - запад и представляют через альтернативные переменные:
ncm.n=1+x5n+2x6n,
где n = 1, N ¯ , x 5 n , x 6 n = { 1, 0.
Номер площадки, выбираемой для стыковки n - го модуля в двоичном исчислении, записывают в следующем виде:
ncm.n=1+x7n+2x8n+4x9n,
где n = 2, N ¯ , x 7 n , x 9 n ¯ = { 1, 0.
Альтернативные переменные для описания параметров периодического закона вводят следующим образом:
Angle=A+Bsin(ωt+φ),
где: А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение;
В - 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.
Затем для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных x 1 * , x 41 n * ¯ , обеспечивающих максимальное значение функции.
f = [ y ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 + [ z ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 N ( x 1 , x 4 n ¯ ) N c ( x 10 , x 41 n ¯ ) → max
при ограничениях n=1, N
| A 1 ( x 10 , x 12 n ¯ ) + B 1 ( x 14 n , z 17 n ¯ ) | ≤ y max ,
| A 2 ( x 26 , x 29 n ¯ ) + B 2 ( x 30 n , z 33 n ¯ ) | ≤ z max
x 1 , x 41 n ¯ = { 1, 0.
где ymax, zmax - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения.
Для нахождения максимального значения функции гдачи, используют рандомизированной 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,М с вероятностью pn. На первом шаге получают:
p n 1 = 1 N ∀ n = 1, N ¯ .
Далее изменение значений p n k при условии ∑ n = 1 M p n ν k = 1 осуществляют следующим образом. Определяют значение случайной величины n ˜ . Пусть n ˜ = ν . Тогда скорости изменения координат на (k+1)-м шаге вычисляются:
ν m n r + 1 = { ν m n r , ∀ n = 1, N ¯ , n ≠ ν , p B m n r + 1 [ q z m n r æ ( ∇ 1 m F ) − p z m n r æ ( − Δ 1 m n F ) , n = ν
а значение вероятностей pn:
p n k + 1 = { p n k 1 + ε k + 1 ∀ n = 1, N ¯ , n ≠ ν , p n k + ε k + 1 1 + ε k + 1 , n = ν .
При этом величина ε>0 определяет степень рекордности движения ν-й частицы в направлении к экстремуму оптимизируемой функции.
Использование предложенного технического решения позволит проводить синтез структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов с последующим фиксированием полученных оптимальных решений с последующем повышением количества возможных итераций мехатронно-модульного робота при значительном сокращении времени синтеза.
1. Способ многоальтернативной оптимизации моделей автоматизации структурного синтеза мехатронно-модульных роботов, характеризующийся тем, что при проведении синтеза структуры многоинвариантной модели мехатронно-модульных роботов, состоящих, 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+х1+2х2+4х3+8х4, 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, и последующем фиксировании полученных оптимальных решений, рассматривают множество проектных элементов и вводят соответствующие альтернативные переменные путем представления дискретных чисел, соответствующих этим элементам, в двоичном исчислении, после чего обозначают количество модулей, объединяемых в один робот, преимущественно, без четко выраженной структуры, и обеспечивают сопряжение каждого нового модуля с ранее собранными вдоль выбранного направления и стыковку его первой интерфейсной площадки с одной из свободных на любых других элементах конструкции, занимающих ближайшее крайнее положение в том или ином ряду, после чего вводят альтернативные переменные для описания параметров периодического закона следующим образом:Angle=A+Bsin(ωt+φ),где А - значение обобщенной координаты, относительно которой происходит периодическое движение;В - амплитуда периодического колебания обобщенной координаты;суммарная величина А+В не должна превышать максимально допустимого отклонения обобщенной координаты модуля;φ - смещение фазы периодического движения,при этом для оптимизационного структурного синтеза выбирают значения альтернативных переменных x 1 * , x 41 n * ¯ , обеспечивающих максимальное значение функции f: f = [ y ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 + [ z ( x 1 , x 41 n ¯ ) ] 2 N ( x 1 , x 4 n ¯ ) N c ( x 10 , x 41 n ¯ ) → max при ограничениях n=1, N | A 1 ( x 10 , x 12 n ¯ ) + B 1 ( x 14 n , z 17 n ¯ ) | ≤ y max , | A 2 ( x 26 , x 29 n ¯ ) + B 2 ( x 30 n , z 33 n ¯ ) | ≤ z max x 1 , x 41 n ¯ = { 1, 0. где ymax, zmax - максимально допустимые отклонения обобщенной координаты модуля относительно ее нулевого значения, при этом для нахождения максимального значения функции f используют рандомизированной алгоритм многоальтернативной оптимизации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нахождения максимального значения функции f рандомизированный алгоритм многоальтернативной оптимизации дополняют еще одним уровнем в рамках управляемого роя частиц.