Computational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnology2313-223X2587-9693YUR-VAK62676610.33693/2313-223X-2023-10-4-72-83AUTOMATION OF MANUFACTURING AND TECHNOLOGICAL PROCESSESАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИResearch ArticleControl Algorithms for Motors of Anthropomorphic Gripping with Group DriveАлгоритмы управления двигателями антропоморфного захвата с групповым приводомhttps://orcid.org/0000-0002-3161-2646ZhdanovaYulia I.ЖдановаЮлия Ильдаровна
Russian Federation

senior lecturer, Department of Systems Engineering, Deputy Director at the Institute of Artificial Intelligence

старший преподаватель, кафедра системной инженерии, заместитель директора Института искусственного интеллекта

zhdanova_yu@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5421-5029MoshkinVladimir V.МошкинВладимир Валентинович
Russian Federation

Cand. Sci., associate professor, Department of Systems Engineering

кандидат технических наук, доцент, кафедра системной инженерии

mvv56@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3353-9945RomanovMikhail P.РомановМихаил Петрович
Russian Federation

Doct. Sci., Professor, Department of Control Problems, Director of the Institute of Artificial Intelligence

доктор технических наук, профессор, кафедра проблем управления, директор Института искусственного интеллекта

m_romanov@mirea.ruMIREA – Russian Technological UniversityМИРЭА – Российский технологический университет1212202310472831102202411022024Copyright ©; 2023, Yur-VAKCopyright ©; 2023, Юр-ВАК2023Yur-VAKЮр-ВАКhttps://journals.eco-vector.com/2313-223X/about/editorialPolicieshttps://journals.eco-vector.com/2313-223X/article/view/626766

Problem statement: the current trend is the use in various spheres of human activity of service robots equipped with anthropomorphic grippers (AG) with the capabilities inherent in the human hand. The functionality of the AG is determined by the executive groups of links (IGZ) having a group drive with a variable structure. When enclosing an external object (VO), each opposed IGZ sequentially implements a contact with three output links. The algorithm for the simultaneous control of the motors must ensure that the position of the unsecured AO remains unchanged. Known AG control methods, for example impedance, do not provide this requirement. In addition, possible methods are focused on an unchanging control object, which is one output link of the IGZ. The variability of control objects, characteristic of systems with a group drive and a variable structure, determines the need for a fundamentally new approach to the control of engines of opposed IGZs. Methods used: theoretical research is based on the main provisions of the analysis of the functioning of complex systems, information processing that determines their state and decision-making based on them. The novelty of the proposed algorithms lies in the fact that the engine control is based on information about the interaction of the output links of both this IGZ and the opposite one. The sequence of switching on the motors is determined based on the analysis of changes in the set of conditions. External – the contact of the current control object with the VO, internal – an increase in the torque on the engine in comparison with the value that determines the free movement. This approach makes it possible, with only contact sensors on the output links, to implement adaptive control of the motors of the opposed IGZ. Result: The use of the proposed algorithms makes it possible to formalize the control of the motors of the opposed IGZ taking into account the position of the initially non-deterministic AO. Practical significance: the developed algorithms are designed to control anthropomorphic grips performing actions with the AO in unfavorable conditions for humans and the uncertainty of the AO position. Their use will increase the functionality of robots equipped with AG.

Постановка задачи: современной тенденцией является использование в различных сферах деятельности человека сервисных роботов, оснащенных антропоморфными захватами (АЗ) обладающим возможностями присущими кисти руки человека. Функциональные возможности АЗ определяются исполнительными группами звеньев (ИГЗ) имеющими групповой привод с переменной структурой. При обхвате внешнего объекта (ВО) каждая оппозитная ИГЗ последовательно реализует контакт тремя выходными звеньями. Алгоритм одновременного управления двигателями должен обеспечить неизменное положение незакрепленного ВО. Известные способы управления АЗ, например, импедансное, не обеспечивают данное требование. Кроме того, возможные способы ориентированы на неизменный объект управления, в качестве которого выступает одно выходное звено ИГЗ. Целью работы является разработка алгоритмов позволяющих, в отсутствии исходной информации о ВО, обеспечить идентификацию его положения на опоре и осуществить обхват несколькими выходными звеньями. Используемые методы: теоретические исследования опираются на основные положения анализа функционирования сложных систем, обработки информации, определяющей их состояние и принятие решений на их основе. Новизна предложенных алгоритмов заключается в том, управление двигателем основывается на информации о взаимодействии выходных звеньев как данной ИГЗ, так и оппозитной. Последовательность включения двигателей определяется на основе анализа изменения совокупности условий. Внешних – контакт текущего объекта управления с ВО, внутренних – увеличение момента на двигателе по сравнению с величиной, определяющей свободное движение. Такой подход позволяет при наличии только датчиков контакта на выходных звеньях реализовать адаптивное управление двигателями оппозитных ИГЗ. Результат: использование предложенных алгоритмов позволяет формализовать управление двигателями оппозитных ИГЗ с учетом положения изначально не детерминированного ВО. Практическая значимость: разработанные алгоритмы предназначены для управления антропоморфными захватами, выполняющими действия с ВО в неблагоприятных для человека условиях и неопределенности положения ВО. Их использование позволит повысить функциональность роботов, оснащенных АЗ.

anthropomorphic gripopposed executive groups of linksgroup drivevariable structureadaptive control algorithmsантропоморфный захватоппозитные исполнительные группы звеньевгрупповой приводизменяемая структураалгоритмы управленияBogdanov А.А., Permyakov А.F., Zhdanova Yu.I. Synthesis of structural scheme of drive of adaptive multiple-link gripper. Zavalishin’s Readings. MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 161. Art. no. 03009. DOI: https://10.1051/matecconf/2018161030093.Bogdanov А.А., Permyakov А.F., Zhdanova Yu.I. Synthesis of structural scheme of drive of adaptive multiple-link gripper // Zavalishin’s Readings. MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 161. Art. no. 03009. DOI: https://10.1051/matecconf/2018161030093.Billard A., Kragic D. Trends and challenges in robot manipulation. Science. 2019. Vol. 364. No. 6446.Billard A., Kragic D. Trends and challenges in robot manipulation // Science. 2019. Vol. 364. No. 6446.Zhdanova Yu.I. Algorithm for adaptive control of opposed executive systems with variable structure. Modern Science: Actual Problems of Theory and Practice. Series: Natural and Technical Sciences. 2021. No. 2. Pp. 51–57. (In Rus.)Жданова Ю.И. Алгоритм адаптивного управления оппозитными исполнительными системами с переменной структурой // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2021. № 2. С. 51–57.Zhdanova Yu.I., Moshkin V.V. Method of optimization synthesis of parameters of actuating system of anthropomorphic gripper with adaptive control. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 971. No. 4. P. 042065.Zhdanova Yu.I., Moshkin V.V. Method of optimization synthesis of parameters of actuating system of anthropomorphic gripper with adaptive control // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 971. No. 4. P. 042065.You W.S. et al. Design of a 3D-printable, robust anthropomorphic robot hand including intermetacarpal joints. Intelligent Service Robotics. 2019. Vol. 12. No. 1. Pp. 1–16.You W.S. et al. Design of a 3D-printable, robust anthropomorphic robot hand including intermetacarpal joints // Intelligent Service Robotics. 2019. Vol. 12. No. 1. Pp. 1–16.Golan Y., Shapiro A., Rimon E.D. A variable-structure robot hand that uses the environment to achieve general purpose grasps. IEEE Robotics and Automation Letters. 2020. Vol. 5. No. 3. Pp. 4804–4811.Golan Y., Shapiro A., Rimon E.D. A variable-structure robot hand that uses the environment to achieve general purpose grasps // IEEE Robotics and Automation Letters. 2020. Vol. 5. No. 3. Pp. 4804–4811.Kang L. et al. Design and Implementation of a Multi-Function Gripper for Grasping General Objects. Applied Sciences. 2019. Vol. 9. No. 24. P. 5266.Kang L. et al. Design and Implementation of a Multi-Function Gripper for Grasping General Objects // Applied Sciences. 2019. Vol. 9. No. 24. P. 5266.Chu Z.Y. et al. Impedance identification using tactile sensing and its adaptation for an underactuated gripper manipulation. International Journal of Control, Automation and Systems. 2018. Vol. 16. No. 2. Pp. 868–875.Chu Z.Y. et al. Impedance identification using tactile sensing and its adaptation for an underactuated gripper manipulation // International Journal of Control, Automation and Systems. 2018. Vol. 16. No. 2. Pp. 868–875.Wang C. et al. Feature sensing and robotic grasping of objects with uncertain information: A review. Sensors. 2020. Vol. 20. No. 13. P. 3707.Wang C. et al. Feature sensing and robotic grasping of objects with uncertain information: A review // Sensors. 2020. Vol. 20. No. 13. P. 3707.Kashef S.R., Amini S., Akbarzadeh A. Robotic hand: A review on linkage-driven finger mechanisms of prosthetic hands and evaluation of the performance criteria. Mechanism and Machine Theory. 2020. Vol. 145. P. 103677.Kashef S.R., Amini S., Akbarzadeh A. Robotic hand: A review on linkage-driven finger mechanisms of prosthetic hands and evaluation of the performance criteria // Mechanism and Machine Theory. 2020. Vol. 145. P. 103677.Permyakov A.F., Bogdanov A.A., Zhdanova Yu.I. Adaptive drive of gripper links group. Patent 185794 the Russian Federation; IPC7 B25 J 15/08 Patent for a useful model 2018100908/02. 2018. Bul. 35.Пермяков А.Ф., Богданов А.А., Жданова Ю.И. Адаптивный привод группы звеньев захвата. Патент РФ № 185794. 2018. Бюл. № 35.Huynh B.P., Kuo Y.L. Optimal fuzzy impedance control for a robot gripper using gradient descent iterative learning control in fuzzy rule base design. Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 11. P. 3821.Huynh B.P., Kuo Y.L. Optimal fuzzy impedance control for a robot gripper using gradient descent iterative learning control in fuzzy rule base design // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 11. P. 3821.Raiola G. et al. Development of a safety-and energy-aware impedance controller for collaborative robots. IEEE Robotics and Automation Letters. 2018. Vol. 3. No. 2. Pp. 1237–1244.Raiola G. et al. Development of a safety-and energy-aware impedance controller for collaborative robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2018. Vol. 3. No. 2. Pp. 1237–1244.Park J., Choi Y. Input-to-state stability of variable impedance control for robotic manipulator. Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 4. P. 1271.Park J., Choi Y. Input-to-state stability of variable impedance control for robotic manipulator // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 4. P. 1271.Erdemir G. Force transmission analysis of surface coating materials for multi-fingered robotic grippers. Peer J. Computer Science. 2021. Vol. 7. P. e401.Erdemir G. Force transmission analysis of surface coating materials for multi-fingered robotic grippers // Peer J. Computer Science. 2021. Vol. 7. P. e401.Neha E. et al. Grasp analysis of a four-fingered robotic hand based on Matlab simmechanics. Journal of Computational & Applied Research in Mechanical Engineering (JCARME). 2020. Vol. 9. No. 2. Pp. 169–182.Neha E. et al. Grasp analysis of a four-fingered robotic hand based on Matlab simmechanics // Journal of Computational & Applied Research in Mechanical Engineering (JCARME). 2020. Vol. 9. No. 2. Pp. 169–182.Salagor A.Yu., Stepanov I.V. Modern robotic demining complexes: foreign and domestic developments. In: Topical issues of improving tactical-special, fire and professional-applied physical training in the modern context of practical training for employees of internal affairs bodies: Collection workings of the International Scientific-practical Conference. St.-Petersburg: Published House of the St.-Petersburg University of the Ministry of Defense of the Russian Federation, 2019. С. 341–344.Салагор А.Ю., Степанов И.В. Современные роботизированные комплексы разминирования: зарубежные и отечественные разработки // Актуальные вопросы совершенствования тактико-специальной, огневой и профессионально-прикладной физической подготовки в современном контексте практического обучения сотрудников органов внутренних дел: сборник трудов междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та Министерства внутренних дел РФ, 2019. С. 341–344.Huynh B.P., Kuo Y.L. Optimal fuzzy impedance control for a robot gripper using gradient descent iterative learning control in fuzzy rule base design. Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 11. P. 3821.Huynh B.P., Kuo Y.L. Optimal fuzzy impedance control for a robot gripper using gradient descent iterative learning control in fuzzy rule base design // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. No. 11. P. 3821.Li M. et al. Fuzzy impedance control of an electro-hydraulic actuator with an extended disturbance observer. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2019. Vol. 20. No. 9. Pp. 1221–1233.Li M. et al. Fuzzy impedance control of an electro-hydraulic actuator with an extended disturbance observer // Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2019. Vol. 20. No. 9. Pp. 1221–1233.