МОНГОЛ УЛСЫН БОЛОВСРОЛ, СОЁЛ, ШИНЖЛЭХ УХААНЫ ЯАМ

МОНГОЛ УЛСЫН ШИНЖЛЭХ УХААН, ТЕХНОЛОГИЙН ИХ СУРГУУЛЬ

ХҮРЭЛБААТАР Цэвээнжавын

ХӨДӨЛГӨӨНТ РОБОТЫН УДИРДЛАГЫН ЗАГВАРЧЛАЛ

Мэргэжлийн индекс: F523900 – Мэдээлэл хэмжлийн электроник

Докторын (Ph.D) зэрэг горилсон нэг сэдэвт бүтээл

Улаанбаатар хот 2012 он

МОНГОЛ УЛСЫН БОЛОВСРОЛ, СОЁЛ, ШИНЖЛЭХ УХААНЫ ЯАМ

МОНГОЛ УЛСЫН ШИНЖЛЭХ УХААН, ТЕХНОЛОГИЙН ИХ СУРГУУЛЬ

ХҮРЭЛБААТАР Цэвээнжавын

ХӨДӨЛГӨӨНТ РОБОТЫН УДИРДЛАГЫН ЗАГВАРЧЛАЛ

Мэргэжлийн индекс: F523900 – Мэдээлэл хэмжлийн электроник

Докторын (Ph.D) зэрэг горилсон нэг сэдэвт бүтээл

Эрдэм шинжилгээний ажлын зөвлөх комисс:

Доктор (Ph.D), дэд профессор Б. Зоригтбаатар

Доктор (Ph.D), дэд профессор Б. Сүхбат

Доктор (Ph.D) Б. Сэр-Од

Улаанбаатар хот 2012 он

ГАРЧИГ

ЗУРГИЙН ЖАГСААЛТ i

ХҮСНЭГТИЙН ЗАГСААЛТ ii

УДИРТГАЛ iii

НЭГДҮГЭЭР БҮЛЭГ: ХӨДӨЛГӨӨНТ РОБОТЫН ЗАМ ТӨЛӨВЛӨЛТ

БОЛОН ТРАЕКТОР ХИЙХ АРГУУДЫН СУДАЛГАА

1.1. Хөдөлгөөнт роботын хөгжлийн түүхээс 1

1.2. Хөдөлгөөнт роботын зам төлөвлөлтийн аргуудын шинжилгээ 6

1.3. Хөдөлгөөнт роботын траекторыг гаргах аргуудын шинжилгээ 9

1. 3.1. Хөдөлгөөнт роботын траекторыг гаргах аргууд 9

1. 3.2. Олон гишүүнтийн функц ашиглан траекторыг гаргах аргачлал 10

1.4. Зам төлөвлөлтийн судалгааны ажлуудад хийсэн дүгнэлт 12

Нэгдүгээр бүлгийн дүгнэлт 14

ХОЁРДУГААР БҮЛЭГ: ХӨДӨЛГӨӨНТ РОБОТЫН УДИРДЛАГЫН

ЗАГВАРЧЛАЛ

Í

2.1. Хөдөлгөөнт роботын замыг төлөвлөх 15

2.1.1. Хөдөлгөөнт робот, саадын кинематик, тэдгээрийн загвар 16

2.1.1.1. Хөдөлгөөнт робот, түүний кинематикийн тэгшитгэл 17

2.1.1.2. Хөдөлгөөнт саад, түүний кинематикийн тэгшитгэл 18

2.1.1.3. Хөдөлгөөнт робот болон саадын геометр дүрслэл 19

2.1.2. Бодит болон виртуал объектууд 23

2.1.2.1. Олон объектуудын горимд саадыг тойрох цонх үүсгэх 25

2.1.2.2. Виртуал талбараас бодит талбарт хувиргах 25

2.1.2.3. Виртуал хувьсагчуудыг ашиглан бодит роботын хурд,

чиглэлийг тодорхойлох

27

2.1.3. Хөдөлгөөнт роботын удирдлагын процесс 28

2.1.4. Мөргөлдөөнийг урьдчилан тодорхойлох дүрслэл 29

2.1.4.1. Нэг саадын мөргөлдөөнөөс зайлсхийх хувиргалт 29

2.1.4.2. Олон саадын мөргөлдөөнөөс зайлсхийх хувиргалт 30

2.1.5. Симуляцийн үр дүн 32

2.2. Роботын хазайлтыг тогтворжуулах 35

2.2.1. Гамильтоний хэмжигдэхүүний арга 36

2.2.2. Гамильтоний хэмжигдэхүүний уламжлал 39

2.2.3. Гамильтоний эргэлтийн арга дээр суурилсан хазайлтыг

тогтворжуулах аргачлал

42

2.2.4. Симуляцийн үр дүн 44

Хоѐрдугаар бүлгийн дүгнэлт 46

ГУРАВДУГААР БҮЛЭГ: КОМПЬЮТЕРИЙН ГРАФИК ДҮРСЛЭЛИЙН

ПРОГРАМ, ТҮҮНИЙГ РОБОТЫН СУДАЛГААНД ХЭРЭГЛЭХ НЬ

3.1. Симуляцийн “Open Dynamic Engine” програм 47

3.1.1. Компьютерийн график дүрслэлд ойлтын коэффициентийг

тодорхойлох аргуудын судалгаа

51

3.1.2. Хатуу биетийн ойлтын коэффициентийг тодорхойлох график

арга

51

3.1.3. Ойлтын коэффициентийг тодорхойлох график аргачлал 52

3.1.4. Бөмбөлөг биетийн ойлтын коэффициентийг график

дүрслэлээр илэрхийлэх

56

3.2. Хөдөлгөөнт роботын кинематик болон динамик 59

3.2.1. Хөдөлгөөнт роботын кинематик 59

3.2.2. Хөдөлгөөнт роботын динамик 62

3.2.3. Хөдөлгөөөнт роботыг загварчлал 64

Гуравдугаар бүлгийн дүгнэлт 68

ДӨРӨВДҮГЭЭР БҮЛЭГ: СУДАЛГААНЫ АЖЛЫН ҮР ДҮНГ

ХЭРЭГЖҮҮЛЭХ АРГА ЗАМУУД

4.1. Дүрсийн боловсруулалт ашиглан роботыг удирдах 69

4.1.1. Хөдөлгөөнт робот дээр суурилагдсан камерийн

тусламжтайгаар дүрсийн өгөгдлийг боловсруулах

69

4.1.1.1. Өнцөг, булан илрүүлэх 70

4.1.1.2. Булангийн тод цэгүүдийг мөрдөх 71

4.1.1.3. Булангийн тод цэгүүдийг ашиглан роботыг удирдах 73

4.1.2. Гамильтоний эргэлтийн арга дээр суурилсан удирдлагын

систем

77

4.1.3. Удирдлагын системийн техник хангамж 79

4.1.4. Удирдлагын системийн програм хангамж 80

4.2. Хөдөлгөөнгүй байрлалд суурилагдсан камерийн тусламжтайгаар

өгөгдлийг боловсруулах

84

4.2.1. Хөдөлгөөнт роботын удирдлагын гүйцэтгэл 84

Дөрөвдүгээр бүлгийн дүгнэлт 87

ЕРӨНХИЙ ДҮГНЭЛТ 88

АШИГЛАСАН БҮТЭЭЛИЙН ЖАГСААЛТ 90

ХАВСРАЛТ 96

i

ЗУРГИЙН ЖАГСААЛТ 1.1-дүгээр зураг Анхны үйлчилгээний робот 1 1.2-дугаар зураг Төмөр хүн 2 1.3-дугаар зураг Дугуйт бүхий хөдөлгөх механизмтай электрон

нохой 2

1.4-дүгээр зураг Дэлхийн II дайны үед бүтээгдсэн шумбагч бөмбөг

3

1.5-дугаар зураг Үйлчилгээний роботууд 4 1.6-дугаар зураг Роботын төрлүүд 6 1.7-дугаар зураг Хэлбэршүүлэх орон зайн арга 7 1.8-дугаар зураг Зам зураглалын арга 7 1.9-дүгээр зураг Хэсэгчлэн задлах арга 8 1.10-дугаар зураг Потенциалт талбарын арга 9 1.11-дүгээр зураг Олон гишүүнтээр тодорхойлогдох функцийн

характеристик 12

2.1-дүгээр зураг Хөдөлгөөнт роботын жолоодлогын геометр

дүрслэл 16

2.2-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын кинематик 18 2.3-дугаар зураг Роботоос, саад хүртэлх байршлын дүрслэл 22 2.4-дүгээр зураг Мөргөлдөөнийг тодорхойлогдох конусын

харьцангуй хурдны дүрслэл 28

2.5-дугаар зураг Бодит болон виртуал талбар дахь дүрслэлүүд 32 2.6-дугаар зураг Нэг саадаас зайлсхийх дүрслэл 33 2.7-дугаар зураг Олон саадаас зайлсхйих дүрслэл 34 2.8-дугаар зураг Хамилтоний эргэлтийн аргын загварчлал 45 3.1-дүгээр зураг Хатуу биетүүдийн хоорондох холбоосууд 48 3.2-дугаар зураг 3D график тоглоомууд 48 3.3-дугаар зураг Роботын загварчлал 49 3.4-дугаар зураг Хүн роботын симуляц 49 3.5-дугаар зураг Ойлтын коэффициентийг тодорхойлох геометр

загварчлал 53

3.6-дугаар зураг Мөргөлдөж буй хоёр биетүүдийн ойлтын коэффициент болон виртуал хурдны хамаарлын график

54

3.7-дугаар зураг Мөргөлдөж буй хоёр биетүүдийн ойлтын коэффициент болон зайн хамаарлын график

55

3.8-дугаар зураг “ODE” програмын гүйцэтгэл 56 3.9-дүгээр зураг “ODE” програмын график дүрслэл 58 3.10-дугаар зураг Виртуал хурд болон зайн хамаарлын

характеристик 59

3.11-дүгээр зураг Дифференциал удирдлагатай хөдөлгөөнт роботын загварчлал

60

3.12-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын кинематик 60 3.13-дугаар зураг Дифференциал удирдлагатай хөдөлгөөнт

роботын эргэлтийн нөхцөлүүд 61

3.14-дүгээр зураг Дифференциал удирдлагатай хөдөлгөөнт 63

ii

роботын динамик 3.15-дугаар зураг Хоёр хэмжээст орчны хөдөлгөөнт роботын

дүрслэл 65

3.16-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын 3D дүрслэл 66 3.17-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын дүрслэл 66 4.1-дүгээр зураг Робот өгөгдсөн чиглэлээр явах тохиолдол 75 4.2-дугаар зураг Робот замаасаа гарсан тохиолдол 75 4.3 дугаар зураг Робот өнцөг үүсгэн чиглэлээсээ хазайсан

тохиолдол 75

4.4 дүгээр зураг Алгоритмын график илэрхийлэл 76 4.5-дугаар зураг Хамилтоний эргэлтийн арга дээр суурилсан

удирдлагын системийн ажиллагааны зарчим 78

4.6-дугаар зураг Роботын харагдах байдал 79 4.7-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын ажиллагааны ерөнхий

бүтэц 81

4.8-дугаар зураг Заах – Давтах зарчим 81 4.9-дүгээр зураг MSE –гийн монотон чанарын характеристик 82 4.10-дүгээр зураг Хамилтоний арга дээр суурилсан хазайлтыг

тогтворжуулах моторын удирдлагатай давтах шат

83

4.11-дугаар зураг Хөдөлгөөнт роботын дүрслэл 84 4.12-дугаар зураг Роботын жолоодлогыг гүйцэтгэх дүрслэл 85 4.13-дүгээр зураг. Роботын дүрслэл 86 4.14-дугаар зураг. Хөдөлгөөнт роботын зам төлөвлөлтийн туршилт 86

ХҮСНЭГТИЙН ЖАГСААЛТ

3.1-дүгээр хүснэгт Бөмбөгний стандарт үзүүлэлтүүд 56 3.2-дугаар хүснэгт Сагсан бөмбөгний ойлтыг тодорхойлох

туршилтын үр дүнгүүд 57

3.3-дугаар хүснэгт Бөмбөгний ойлтыг тодорхойлох параметрүүд 58

iii

Удиртгал

Орчин үед үйлдвэрлэл болон хүн төрөлхтөний нийгмийн үйл ажиллагаанд

робот болон автомат удирдлагын системүүд өргөн хэрэглэгдэж байна. Ийм

системүүд ялангуяа техник, технологи өндөр хөгжсөн улс, орнуудад улам

эрчимтэй нэвтэрч, өдөр тутмын өргөн хэрэглээ болж чадсан байна.

Техник технологийн өндөр хурдацтай өнөөгийн хөгжлийг даган роботын

автомат удирдлагын системүүд нь хүний хөдөлмөрийг хөнгөвчлөхөөс гадна

ажлын бүтээмжийг дээшлүүлэхэд чиглэгдсэн олон төрлийн дэвшилтэт шинэ арга

техникууд үйлдвэрлэлд нэвтэрсээр байна.

Удирдлагын системүүд дотроос хөдөлгөөнтэй объектуудтай зохицон орших

чадвар бүхий роботын удирдлагын системийг бүтээх нь нарийн төвөгтэй хэдий

ч зайлшгүй шинэчлэн боловсруулах шаардлага тавигдсаар байдаг. Ийм

системийг зохион бүтээхэд чиглэсэн судалгаа шинжилгээний ажлууд олон жил

үргэлжлэн хийгдсээр байгаа ч төгс төгөлдөр систем хараахан бий болж

чадаагүй байна.

Робот зохион бүтээх оролдлогуудыг хүн төрөлхтөн 140 гаруй жилийн

өмнөөс хийж эхэлсэн хэдий ч 1930- аад оноос удирдлагын ухаалаг систем бүхий

анхны робот гарч ирсэн нь орчин үеийн роботын эрин эхэлсэн гэж үздэг.

Өнөөдөр үйлчилгээний болон судалгаа шинжилгээний зориулалттай

роботын системүүдийг боловсруулж, шинжлэх ухаан техникийн янз бүрийн

салбарт ашиглах явдал улам бүр өсөн нэмэгдсээр байна. Тухайлбал ухаалаг

удирдлага, мэдээлэл, харилцаа холбоо, боловсролын салбар, эмнэлэг,

үйлдвэр, харуул хамгаалалт, хөдөлмөрийн бэрхшээлтэй хүмүүст зориулсан

үйлчилгээнд гэх мэт роботын хэрэглээ маш олон чиглэлтэй байна.

Хийсвэр төсөөлөл дээр үндэслэгдсэн удирдлагын аргачлалуудыг сүүлийн

жилүүдэд роботын удирдлагын системд өргөн ашиглах болсон. Ийм систем нь

чанарын хувьд түрүү үеийн аргуудаас онцлог давуу талуудтай тул түүнийг олон

эрдэм шинжилгээний төв болон лабораторууд, эрдэмтэн судлаачид шинжилгээ,

туршилт судалгааны ажлуудад ашиглах болсон [33, 38, 41, 65, 69].

Энэхүү диссертацийн ажлаар хөдөлгөөнт роботын явах замыг урьдчилан

төлөвлөх виртуал талбарын арга, Квантернионий эргэлтийн арга дээр

суурилсан хөдөлгөөнийг тогтворжуулах функц зэргийг ашиглан роботын

удирдлагын системийг загварчлах арга технологуудыг судлан боловсрууллаа.

iv

Судалгааны ажлын зорилго, зорилтууд:

Тус диссертацийн ажлын зорилго нь хөдөлгөөнт роботын удирдлагын системийг

загварчлах, түүнийг хэрэгжүүлэх арга замыг тодорхойлоход оршино. Энэ

зорилгыг дараах зорилтуудын тусламжтайгаар шийдвэрлэнэ. Үүнд:

Хөдөлгөөнгүй объект бүхий орчны зам төлөвлөлтийн аргуудыг ашиглан

хөдөлгөөнтэй объект бүхий орчинд хөдөлгөөнт роботын явах замыг

урьдчилан төлөвлөх арга технологийг судалж тохиромжтой хувилбарыг

сонгох;

Виртуал биет болон виртуал орчны ойлголтыг роботын системд

хэрэглэн турших;

Роботын хазайлтыг тогтворжуулах удирдлагын системийг загварчих,

Хөдөлгөөнт роботын удирдлагын загварчлалуудыг бодит туршилтийн үр

дүнгүүдээр тодорхойлох зэрэг болно.

Шинэлэг тал:

Судалгааны ажил нь дараах шинэлэг талуудыг агуулсан болно.

Хөдөлгөөнт роботын явах замыг урьдчилан төлөвлөх виртуал талбарын

аргачлал;

Гамильтоний эргэлтийн арга дээр үндэслэн хазайлтыг тогтворжуулах

аргачлал;

Роботын бодит хөдөлгөөнийг илэрхийлж чадахуйц компьютерийн график

дүрслэл;

Дүрсийн боловсруулалтыг ашигласан хяналтын систем бүхий роботын

удирдлагын загварчлал.

Практик ач холбогдол

Энэхүү судалгааны ажил нь роботын удирдлагын системийн туршилт

судалгааны ажлуудын үр дүнг нэгтгэн шинжлэх, сайжруулах цаашид өргөтгөх

боломжийг нээж өгч байгаа билээ.

Мөн судалгааны ажлын үр дүнг энгийн хялбар роботын удирдлага төдийгүй

үйлчилгээний зориулалттай робот, автомашин, нисдэг тэрэг, нисэх онгоцны

автомат удирдлагын системд ашиглах боломжтой зэрэг онцлог давуу талуудтай

юм.

v

Хамгаалахаар дэвшүүлсэн үр дүнгүүд

Хөдөлгөөнт роботын явах замыг хөдөлгөөнтэй саадууд бүхий орчинд

урьдчилан төлөвлөх, мөргөлдөөнөөс зайлсхийх хөдөлгөөний дүрслэл

бүхий туршилтын үр дүнгүүд;

Дүрсийн боловсруулалт ашиглан булангийн тод цэгийг илрүүлэх арга

бүхий хяналтын системийн гүйцэтгэл;

Хөдөлгөөнт роботын кинематик, динамикийн тооцоолол бүхий

компьютерийн график дүрслэл;

Бодит роботын загварчлал, удирдлагын систем, алгоритм, програм

хангамж.

Судалгааны ажлын товч агуулга

Энэхүү диссертацийн ажил нь оршил, онол зүйн- 2, туршилт судалгааны-2,

нийт- 4 бүлэг, ерөнхий дүгнэлт, ном зүйн жагсаалтаас бүрдэнэ.

Нэгдүгээр бүлэгт: Хөдөлгөөнт роботын зам төлөвлөлт, траектор гаргах арга

техникүүдийг судалж, судлаачдын дэвшүүлсэн аргачлалуудыг харьцуулан

дүгнэлээ.

Хоёрдугаар бүлэгт: Эмх замбараагүй хөдөлгөөнтэй объектууд бүхий орчинд

хөдөлгөөнт роботыг замчлах боломжтой зам төлөвлөлтийн виртуал талбарын

аргыг дэвшүүлсэн. Тус арга нь ажиглагчийн тусламжтай гаргаж авсан

мэдээллээр бодит ажлын талбарыг зохиомлоор дүрслэх бөгөөд чиглэлийн

цонхнууд үүсгэж виртуал талбар болон виртуал хурдны ойлголтыг шугаман

удирдлагын хуультай холбож өгснөөрөө онцлог юм. Энэ аргын зарчим нь

роботыг тойруулан тодорхой радиустай хяналтын тойрог үүсгэж улмаар

тойргийн бүсэд саад илэрсэн үед хурд болон чиглэлийн өнцгийн сонголтоор

роботыг удирдаж, саадыг тойрох үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Энэхүү аргыг

хэрэглэсэнээр хөдөлгөөнгүй саад бүхий орчны зам төлөвлөлтийн аргуудыг

хөдөлгөөнтэй саад бүхий орчинд ашиглах боломжтой болж байна.

Мөн Гамильтоний эргэлтийн арга дээр үндэслэн роботын хазайлтыг

тогтворжуулах функц бүхий удирдлагын аргыг боловсруулж, симуляци болон

бодит роботын хөдөлгөөний гүйцэтгэлээр туршилтийн үр дүнг батлан

харуулсан.

vi

Гуравдугаар бүлэгт: Туршилт, судалгааны ажлын үр дүнг хялбар аргаар,

өндөр гүйцэтгэлтэйгээр гарган авах боломжтой “Open Dynamic Engine”

програмыг судалж, судалгааны ажилд ашиглав. Хэрэглээний явцад харин бодит

биетүүдийн хооронд гарах мөргөлдөөн, тэдгээрээс үүсэх ойлтыг тодорхойлох

боломж нь тухайн програмд хангалтгүй байгааг тогтоож, улмаар компьютерийн

график дүрслэлд хатуу биетийн ойлтын коэффициентийг тодорхойлж ашиглах

санааг дэвшүүлэн хэрэгжүүллээ. Мөн хоѐр дугуйтай дифференциал

хөдөлгүүртэй хөдөлгөөнт роботын загварыг сонгон авч роботын хөдөлгөөний

кинематик, динамикийн тооцоог хийсэн бөгөөд хөдөлгөөний дүрслэлийг MATЛаб

болон ODE програмуудаар хэрэгжүүлэн баталгаажууллаа.

Дөрөвдүгээр бүлэгт: Загварчлагдсан роботын тусламжтайгаах энэхүү

судалгааны ажилд дэвшүүлсэн арга техникүүдийг ашиглан бодит туршилтыг

хийж гүйцэтгэлээ. Энд орчны байрлал, объект болон роботын байрлал, хурдыг

тодорхойлоход камерийн хяналттай өгөгдөл боловсруулах системийг

ашигласан бөгөөд тус хяналтын системээр Ши-Томасигийн гаргасан дүрс

боловсруулалтын өнцөг, булан илрүүлэх шалгарсан аргыг хэрэглэсэн болно.

Энэ арга нь бусад аргуудаас энгийн, хэрэгжүүлэхэд хялбар байдгаараа онцгой

ач холбогдолтой бөгөөд “Заах – Давтах” зарчмаар ажилладаг роботын

удирдлагын нэгэн шинэ арга юм.

Үр дүнг хэлэлцүүлсэн байдал:

Судалгааны ажлын явц үр дүнг ШУТИС-ийн МХТС –ийн Электрон

Техникийн Салбарын профессорын баг, Тоон дохионы боловсруулалт,

микропроцессорын системийн профессорын баг, МУИС–ийн МТС-ийн эрдмийн

зөвлөлийн хуралдаанаар тус тус хэлэлцүүлсэн болно.

Түүнчлэн ажлын зарим үр дүнг 2009-2012 онуудад ШУТИС болон ШУТИС-ийн

МХТС-ийн докторант оюутнууд, багш судлаачдын эрдэм шинжилгээний хуралд

тус бүр 1 удаа, “Хүрэл тогоот 2011”, “ Судалгаанаас хөгжил рүү 2012” хурал,

болон олон улсын хурал, семинарт 12 удаа илтгэлээ тавьж хэлэлцүүллээ. Мөн

дотоодын 4, олон улсын сэтгүүлүүдэд 5 удаа бүтээлээ хэвлүүлсэн болно.

Энэ ажил нь ШУТИС-ийн багш, докторант оюутан, судлаачдын эрдэм

шинжилгээний хурлын тэргүүн байр, “Судалгаанаас хөгжил рүү 2012” сэдэвт

эрдэм шинжилгээний хурлын тэргүүн байр, Солонгос улсад зохион

vii

байгуулагдсан “URAI 2010” олон улсын хурлын “Best Paper Award” шагналыг тус

тус хүртэж байсан.