Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системамиНИР

Control problems of robotics and biomechatronics systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Создана система дистанционного управления робототехническим устройством «робот-шар» (Буданов В.М., Утешев А.В.) Получены два патента на изобретения «робот-шар» и «робот-тележка» (Формальский А.М.,Утешев А.В.) В 2019 г. работы были представлены докладами на конференциях: XII съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Формальский А.М. - 2 доклада, Лавровский Э.К.- 1 доклад, Буданов В.М. - 1 доклад); Международная конференция по нелинейной механике (International Conference on Nonlinear Solid Mechanics), 16-19 июня 2019, Рим, Италия (Формальский А.М. - 1 доклад); Ломоносовские чтения (Формальский А.М. - 1 доклад, Лавровский Э.К.- 1 доклад, Буданов В.М. - 2 доклада); Конференция, посвященная 80-летию В.А.Садовничего (Формальский А.М. - 1 доклад); Международная научная конференция "Фундаментальные и прикладные задачи механики", посвященная 100-летию со дня рождения академика К.С.Колесникова (Формальский А.М. - 1 доклад, Буданов В.М. - 1 доклад). Подготовлена новая редакция задач «Параметрический резонанс» и «Маятник с маховиком», которые опубликованы в сборнике «Спецпрактикум по теоретической и прикладной механике».(Формальский А.М., Буданов В.М.) К выполнению работ в рамках НИР привлекались студенты мех-мат. ф-та МГУ под руководством: Буданов В.М.(2 дипломные, 3 курсовые); Формальский А.М.(1 дипломная, 1 курсовая).
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Модернизирован действующий макет сферического робота, построена система супервизорного (с оператором) управления движением робота (Буданов В.М., Утешев А.В.). Построена математическая модель пространственного движения сферического робота, проведены первые "испытания" этой модели (Буданов В.М., аспирант Нор Н.). Проведена доработка пассивного экзоскелета, коленные суставы оснащены электроприводами и построена система управления ими, использующая силовую обратную связь. Проведены испытания этого нового экзоскелета, которые показали, что человек, облаченный в такой экзоскелет, затрачивает на переноску грузов меньше усилий, нежели при использовании пассивного экзоскелета. Новый экзоскелет демонстрировался на выставке "Армия 2020" (Буданов В.М.) в составе экспозиции ЦНИИТочмаш (РосТех). Экзоскелет дополняет современную экипировку "Ратник" и уменьшает нагрузку бойца при переносе груза, особенно при движении по неровной поверхности. Экспонат вызвал интерес специалистов и СМИ , в том числе зарубежных. Ссылки на некоторые из публикаций в СМИ: https://www.militarynews.ru/story.asp?rid=1&nid=537006&lang=RU https://www.youtube.com/watch?v=OkOgjX3w1SY ДумаТВ 01.10.2020 https://www.defense.gouv.fr/fre/ema/sitta/a-la-une/army-2020/article-army-2020. Рассмотрена плоская модель движения пассивного экзоскелета нижних конечностей, интегрированного с аналогичной моделью человека-оператора, определяющего движение всей конструкции. Изучены энергетические затраты и пиковые значения управляющих моментов, которые человек-оператор прилагает в процессе перемещения экзоскелета на некоторых типах регулярных, плоских, одноопорных походок. Полученные результаты позволяют оценить эффективность режима запирания-освобождения коленного сустава. Результаты опубликованы в статье Лавровского Э.К., Письменной Е.В. «О походках оператора в пассивном экзоскелете нижних конечностей при использовании режима закрепленного колена» в журнале «Механика, автоматика, управление». Построена стратегия управления, которую, возможно, использует человек, раскачивающий качели, сидя на них. Эта стратегия представляет собой совокупность обратных связей, на основе которых происходит управление сгибанием и разгибанием ног путём приложения моментов в коленных суставах, а также корпуса путём приложения моментов в тазобедренных суставах. В журнале "Изв. РАН. Теория и системы управления" опубликована статья (Климина Л.А., Формальский А.М.). В «Российском журнале биомеханики» опубликована статья Лавровского Э.К. «Задача управления движением «гимнаста» в свободном полете и при переходе в режим контакта с опорой», в которой с теоретико-механических позиций обсуждаются некоторые аспекты соскока «гимнаста» - спортсмена (или робота - «гимнаста») с «перекладины». Рассматриваются все фазы соскока в плоском случае. Тело «гимнаста» моделируется на разных этапах соскока - отпускания «рук», свободный полет, выход «ногами» на опору - либо трехзвенным, либо двузвенным маятником. Для каждой из фаз движения найдены удобные формы описывающих ее динамических уравнений, прежде всего, это компоненты вектора кинетического момента системы относительно различных точек тела или пространства. Рассматривается методика построения стабилизирующего управления. Результаты представленного анализа задачи позволяют построить удобную приближенную модель явления в целом, а также использовать ее при управлении роботизированным аналогом. Проведено исследование линейной стационарной управляемой системы третьего порядка, представляющей собой так называемый "тройной интегратор". Проекция области достижимости этой системы на плоскость сравнивается с областью достижимости системы второго порядка, представляющей собой так называемый "двойной интегратор". В журнале "Вестник МГУ, серия математика и механика" опубликована статья (Бугров Д.И., Формальский А.М.). Был организован полигон для дистанционного проведения соревнований по робототехнике, с его использованием проведен ряд мероприятий, в частности, финал Олимпиады НТИ для школьников в дистанционном формате и международные соревнования в формате “World Skills” по направлению «Сервисная робототехника». (Сюжет на ВГТРК в программе “Вести” https://www.vesti.ru/video/2240043?fbclid=IwAR0aIrV3PeHnRY-tpl2Rv_yZEkYBLPeWg06P_Kr0oOk-4li8lfHRsoMJZHs )
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Продолжены работы по совершенствованию механической части и алгоритмов управления полуактивным экзоскелетом, коленные суставы которого оснащены электроприводами. Экзоскелет демонстрировался на выставке "Армия 2021" в составе экспозиции ЦНИИТочмаш (РосТех), дополняя современную экипировку "Ратник". Экспонат вызвал интерес специалистов и СМИ. Создан макетный вариант привода с редуктором и проведены предварительные эксперименты. Коэффициент редукции выбран относительно небольшим, что позволяет сохранить обратимость привода и возможность использования пассивного режима движения и при этом существенно увеличить создаваемый момент в коленном шарнире в активном режиме. (Буданов В.М., Климов К.В.). Рассмотрена задача о движении вокруг массивного центрального тела (звезды) двух других тел (планет) со сравнимыми массами, которые существенно меньше массы центрального тела. Предполагается, что движение планет происходит в одной плоскости по орбитам, близким к круговым. Движение планет строится непосредственно в полярных координатах с применением метода неопределенных частот, предложенного автором, и являющегося модификацией метода последовательных приближений. Получено первое приближение, представляющее собой для каждой планеты сумму равномерного кругового движения и малых квазипериодических добавок. Последние представляют собой сумму периодических компонент, периоды которых равны периодам круговых движений обоих тел, а также их разностям. При этом периоды круговых движений изменяются по сравнению с тем, что дает третий закон Кеплера: период внутренней планеты увеличивается, а внешней – уменьшается. Второй особенностью построенного приближенного решения является отсутствие вековых возмущений. (В.М.Буданов) Подготовлена и опубликована в журнале "Прикладная математика и механика", 2021, Т. 85, № 6. С. 683–698 статья "Cтабилизация двойного перевернутого маятника, установленного на качелях seesaw" (А.М. Формальский, П.А. Кручинин, К.Л. Войцицкая). В ней рассматривается задача о синтезе закона управления, стабилизирующего перевернутый маятник. Качели seesaw могут совершать колебания, перекатываясь по горизонтальной опорной поверхности без проскальзывания. Нижнее звено маятника шарнирно крепится к качелям. Ограниченный по абсолютной величине управляющий момент приложен в межзвенном шарнире. Описываемая система имеет три степени свободы и единственное управляющее воздействие. В отсутствие управления, система имеет неустойчивое положение равновесия. Управление строится в виде обратной связи по двум “неустойчивым” жордановым переменным разомкнутой линеаризованной системы так, чтобы область притяжения системы была, по возможности, максимальной. Приводятся результаты численных исследований. Подготовлена к публикации статья "О предотвращении нежелательных колебаний сферического робота в продольном движении" (В.М. Буданов, Ю.Д. Селюцкий, А.М. Формальский). В работе предлагается способ управления сферическим роботом, позволяющий в какой-то степени предотвратить колебания сферы в продольном направлении. В приближенной, «кинематической» постановке рассматрены две задачи оптимального по быстродействию управления положением однозвенного маятника, закрепленного на подвижном основании, которое может перемещаться вдоль горизонтальной оси. В обеих задачах маятник либо переводится в устойчивое положение, либо, перемещаясь вместе с основанием, должен поддерживать неустойчивое состояние. Упомянутая кинематическая постановка задачи означает, что ограничения, характерные для управляющих функций, налагаются на самом деле на обобщенные импульсы динамической системы. При этом возникающая задача быстродействия имеет не линейную, как обычно, а линейно-квадратичную структуру по управляющим воздействиям. Последнее, кстати, характерно для любых задач Лагранжевой механики в кинематической постановке. В рамках принципа максимума исследуется возможности численного метода решения задач подобного типа. Изучается возможность существования особых и скользящих режимов управления. Показано, что описывающая эти режимы система условий переопределена, в силу чего в рассматриваемых случаях указанные режимы отсутствуют. Дальнейшее численное решение задач позволило построить графики самих оптимальных решений.(Лавровский Э.К.) Разработан прототип дистанционного полигона, на котором возможно проводить обучение основам Robot Operating System, в том числе проводить подготовку соревнований по робототехнике, такие как международные соревнования в формате “World Skills” по направлению «Сервисная робототехника». (Рогачев А.А., Климов К.В.) Создана программа повышения квалификации «Введение в современную робототехнику на основе ROS», проведены три курса в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) На базе лаборатории разработана платформа ровер, протестированная на Камчатке, с системой управления через канал интернет командами, расположенными в Калининграде и Москве (Рогачев А.А., Климов К.В.) Разработана и продемонстрирована первая российская шагающая четырехногая робототехническая система, перемещающаяся в режиме динамической ходьбы. Данная разработка позволяет сократить отставание от мировых лидеров в этой области научных исследований. Публикации в СМИ о первых шагах робота вызвали большое количество комментариев пользователей сети Интернет. (Климов К.В. Капытов Д.В.)
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Предложена и исследована модель качелей со стоящим на них человеком. В качестве такой модели рассматривается однозвенный маятник. Расстояние между точкой подвеса качелей и центром масс стоящего на них человека выступает в роли ограниченного управляющего воздействия, а качели с человеком на них представляют собой систему с одной степенью свободы. В виде обратной связи построено оптимальное управление, при котором происходит максимально быстрый рост амплитуды колебаний качелей. Если коэффициент вязкого трения в точке подвеса качелей достаточно велик, то при этом управлении качели асимптотически выходят на стационарный режим колебаний с постоянной амплитудой. Если же коэффициент трения достаточно мал, то колебания качелей переходят во вращение вокруг точки подвеса. Исследуется и более реалистичная модель качелей – с двумя степенями свободы. В этой модели управлением является сила, которая перемещает центр масс человека вдоль качелей. Работа опубликована в журнале "Известия РАН. Теория и системы управления", № 4, 2022, авторы: Климина Л.А., Формальский А.М. Рассмотрен вариант управления сферическим роботом (робот-шар), внутренний механизм которого содержит платформу, опирающуюся своими краями на внутреннюю поверхность сферы. К платформе крепится вилка, внутри которой смонтировано колесо, касающееся этой поверхности сферы. Механизм содержит два привода, один из которых поворачивает плоскость колеса относительно платформы, а другой “катит” колесо по ее внутренней поверхности. При помощи первого привода меняется направление движения робота, а другой привод осуществляет его маршевое движение (качение сферы) вдоль желаемого направления. Построен закон управления, позволяющий предотвратить возникновение нежелательных колебаний сферы сравнительно большой амплитуды в ее продольном движении. Работа опубликована в журнале "Известия РАН. Теория и системы управления", № 6, 2022, авторы: Буданов В.М., Селюцкий Ю.Д., Формальский А.М. Подготовлены и отправлены в редакции научных журналов две статьи. Одна из них - "О задаче поддержания контакта исследовательского зонда малой массы с астероидом" направлена в МТТ. Другая статья "О точках либрации в системе астероид - исследовательский зонд" в КИ. Содержание работ вытекает из их названий. Работы приняты к публикации (Лавровский Э.К.) Апробирован прототип дистанционного полигона, на котором были проведены соревнования «Национально технологическая олимпиада», обучение основам Robot Operating System, в том числе проводить подготовку соревнований по робототехнике, такие как международные соревнования в формате “World Skills” по направлению «Сервисная робототехника». (Рогачев А.А., Климов К.В.) Проведены семь курсов программы повышения квалификации «Введение в современную робототехнику на основе ROS» в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Создана программа повышения квалификации «Проектная деятельность для школьников на примере ракета-моделирования», проведен один курс в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Проведен ежегодный проект по управлению роверами, разработанными на базе лаборатории, в рамках исследований вулканов на Камчатке (Рогачев А.А., Климов К.В.) Произведено открытии лаборатории робототехники в Удмуртском Государственном Университете, созданной, на основе методик лаборатории робототехники НИИ механики. (Рогачев А.А., Климов К.В., Олейников В.В.) Разработано задание, реализовано оборудование и проведена финальная стадия олимпиады «Ломоносов», трек «Робототехника» (Рогачев А.А., Климов К.В., Буданов В.М.)
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Проведено теоретическое исследование энергетики системы человек-экзоскелет. С точки зрения минимизации энергозатрат человека наиболее важна опорная нога и в особенности ее коленный сустав. В коленном суставе опорной ноги предлагается использовать алгоритм управления соответствующим электродвигателем, основанный на измерении вертикальной силы реакции опоры в сочетании, быть может, с углом в колене и угловой скоростью. Показано, что за счет работы приводов в коленных суставах затраты энергии человеком при переносе груза оказываются часто даже меньше, чем при свободном перемещении без груза. По результатам исследования подготовлена статья, которая принята к печати в журнал «Мехатроника, автоматизация, управление». (Буданов В.М., Лавровский Э.К.). Продолжена разработка метода построения периодических решений в сильно нелинейных системах на примерах ряда задач теории колебаний. Результаты доложены на конференциях (Буданов В.М.). Проведено исследование проблемы управления системой с двумя степенями свободы, содержащей два массивных тела, соединенные вязкоупругим стержнем. К одному из тел прикладывается управляющая сила. Цель управления состоит в том, чтобы перевести систему из одного состояния равновесия в заданное другое. Построено трапециевидное управление, близкое к оптимальному по быстродействию. При этом управлении в системе не возникают нежелательные вибрации. Кроме того, это управление, в отличие от оптимального по быстродействию, является робастным. Работа опубликована в журнале "Известия РАН. Теория и системы управления", № 6, 2023, авторы: Селюцкий Ю.Д., Формальский А.М. Рассмотрена задача об оптимальном раскачивании качелей человеком, стоящим на них. Управляющим воздействием считалось ранее расстояние от точки подвеса качелей до центра масс человека. При этом рассматривалась система с одной степенью свободы. В отличие от предыдущих исследований этой задачи, рассматривается также система с двумя степенями свободы, в которой управляющей является сила, прикладываемая к центру масс человека. Работа доложена на XIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике и опубликована сборнике тезисов докладов съезда. Авторы: Формальский А.М., Климина Л.А. В статье Лавровского Э.К. «Проблема поддержания контакта исследовательского зонда малой массы с астероидом» исследуется задача поддержания контакта тела малой массы с поверхностью однородного, симметричного вращающегося по инерции астероида. На тело воздействуют две противоположные силы: удерживающая гравитационная сила астероида и отталкивающая центробежная. Задача рассматривается в ограниченной постановке. Ищутся критические точки контакта на ряде поверхностей, обладающих осью симметрии. Показано также, что перемещение тела по поверхности астероида может способствовать более надежному его контакту с астероидом. Статья Лавровского Э.К. «О точках либрации в системе астероид - исследовательский зонд» посвящена исследованию относительного движения в поле однородных сфероидных тел. Считается, что спутник астероида не влияет на его поступательное и вращательное движения по инерции. Это последнее есть вращение в режиме регулярной прецессии. Рассматривается случай, когда астероид есть эллипсоид вращения. Строится система условий, которой должны удовлетворять точки либрации; показано, что ее решением являются два типа точек либрации, различающиеся своим расположением по отношению к неизменному вектору кинетического момента вращения и к оси симметрии эллипсоида. Далее численно-аналитическим методом исследуется по первому приближению устойчивость точек либрации. Инженерная часть На дистанционном полигоне были проведены соревнования «Национально технологическая олимпиада». (Рогачев А.А., Климов К.В., Слабуха Н.В.) Проведены восемь курсов программы повышения квалификации «Введение в современную робототехнику на основе ROS» в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Проведены два курса «Проектная деятельность для школьников на примере ракета-моделирования», проведен один курс в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Выполнен ежегодный проект по управлению роверами, разработанными на базе лаборатории, в рамках исследований вулканов на Камчатке (Рогачев А.А., Климов К.В., Иванов Н.В.) Разработано задание, реализовано оборудование и проведена финальная стадия олимпиады «Ломоносов», трек «Робототехника» (Рогачев А.А., Климов К.В., Буданов В.М.) Проведен всероссийский ракетный фестиваль и ракетостроительный чемпионат «Реактивное движение» среди школьников и студентов (Рогачев А.А., Климов К.В.) Проведен конкурс «Космическая робототехника - роверы» космической программы «Дежурный по планете» (Рогачев А.А., Климов К.В., Слабуха Н.В.) Принято участие в выставке «Наука 0+» на стенде НИИ механики МГУ. Сделана презентация квадропедального робота, разработанного в лаборатории. (Рогачев А.А., Климов К.В., Капытов Д.В., Данилов В.А.) Участие в конгрессе молодых ученых со стендом (Рогачев А.А., Климов К.В., Данилов В.А.) Участие в конференции AIJ со стендом (Рогачев А.А., Климов К.В., Капытов Д.В., Данилов В.А.) Стали финалистами премии «За верность науке» в номинации «За популяризацию космической отрасли» (Рогачев А.А., Климов К.В.) Организован центр технологической поддержки МГУ, разработано 7 программ дополнительного образования, реализованы программы дополнительного образования для 894 школьников г. Москвы, проведены конкурсы и мастер-классы для 750 школьников и 50 преподавателей г. Москвы. (Буданов В.М., Формальский А.М., Лавровский Э.К., Климов К.В., Слабуха Н.В., Данилов В.А., Бесчастнов И.В., Капытов Д.В., Нугуманов И.Р., Ольховская Е.А.)
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Проведено теоретическое исследование энергетики системы человек-экзоскелет. С точки зрения минимизации энергозатрат человека наиболее важна опорная нога и в особенности ее коленный сустав. В коленном суставе опорной ноги предлагается использовать алгоритм управления соответствующим электродвигателем, основанный на измерении вертикальной силы реакции опоры в сочетании, быть может, с углом в колене и угловой скоростью. Показано, что за счет работы приводов в коленных суставах затраты энергии человеком при переносе груза оказываются часто даже меньше, чем при свободном перемещении без груза. По результатам исследования опубликована статья в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление», №3, 2023 г. (Буданов В.М., Лавровский Э.К.). Обоснован аналитический метод построения периодических решений для нелинейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений полиномиального типа. Периодические решения строятся в виде рядов Фурье, коэффициенты которых являются полиномами, зависящими от параметра без предположения о его малости. В качестве примеров рассмотрены уравнение Ван дер Поля и система Лоренца. Работа опубликована в журнале «Дифференциальные уравнения», №5, 2024. Результаты работы также докладывались на конференциях (Буданов В.М.). Ведется работа по построению системы автономного движения колесного робота на сложной местности с использованием технического зрения и лидара Исследуется задача поиска и распознавания препятствий, возникающих по ходу движения ровера с использованием современных методов семантической сегментации. Результаты представлены на международной конференции «Математическое моделирование и суперкомпьютерные технологии»,Н. Новгород, 18–21 ноября 2024 г. (Буданов В.М., совместно с сотрудниками мех.-мат. факультета МГУ) Исследована модель человека, сидящего на качелях, которая содержит три звена. Одно из звеньев моделирует корпус человека, другое – два идентичных бедра, и третье звено – две идентичные голени. Эти три звена соединены двумя шарнирами, один из которых моделирует два тазобедренных сустава, а другой – два коленных. В этих суставах прикладываются моменты, при помощи которых происходит раскачивание качелей. Задача, решаемая в работе, состоит в синтезе управления, при котором происходит максимально быстрое раскачивание качелей, т.е. монотонное и максимально быстрое нарастание амплитуды их колебаний. Такое нарастание амплитуды колебаний происходит, благодаря постановке задачи, в которой управление строится таким образом, что в конце каждого полуколебания, когда угловая скорость качелей обращается в нуль (на мгновение), их отклонение от вертикали достигает максимума. Построенное управление при малой диссипации позволяет не только раскачать качели, но и после некоторого количества их колебаний перейти в режим вращения качелей вокруг точки подвеса. Построено также управление, обеспечивающее максимально быстрое гашение колебаний. Сделан доклад в школе "Современные методы робототехники и теории управления" (Научно-технологический университет "Сириус", г. Сочи, 27.01 - 04.02.2024 г.). (Формальский А.М., Климина Л.А.) Предложена модификация оптимального по быстродействию управления, которое является, чаще всего, разрывным. Трапециевидное управление получается из оптимального путем замены участков с разрывами участками, на которых управляющий сигнал растет или убывает линейно во времени. Причем длина этих новых участков равна или кратна периоду собственных колебаний системы. Участки роста управляющего сигнала в трапециевидном управлении чередуются с участками убывания. Подобная модификация оптимального управления позволяет избежать возникновения нежелательных вибраций в системе. В качестве примера рассматривается линейная система с двумя степенями свободы, состоящая из двух абсолютно твердых тел, соединенных прямолинейным вязкоупругим стержнем. Вначале система находится в состоянии равновесия. В некоторый момент времени к одному из тел прикладывается максимально возможная сила, вектор которой направлен параллельно стержню, соединяющему тела. Эта сила ограничена по абсолютной величине. Цель управления состоит в перемещении системы из одного состояния равновесия в другое. При оптимальном по быстродействию управлении в процессе перемещения системы в ней возникают нежелательные вибрации (колебания). При использовании же трапециевидного управления в системе остаются только два колебания, независимо от того сколько их возникает при оптимальном управлении. Результаты доложены на Всероссийском Совещании по Проблемам Управления. Москва, 17.06 - 20.06 2024 г. (Формальский А.М., Селюцкий Ю.Д.) Инженерная часть На дистанционном полигоне были проведены соревнования «Национально технологическая олимпиада». (Рогачев А.А., Климов К.В., Слабуха Н.В., Иванов Н.В.) Проведены шесть курсов программы повышения квалификации «Введение в современную робототехнику на основе ROS» в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Проведены три курса «Проектная деятельность для школьников на примере ракета-моделирования», проведен один курс в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Выполнен ежегодный всероссийский проект по управлению роверами, разработанными на базе лаборатории, в рамках дистанционного подключения на базе площадки НИИ механики (Рогачев А.А., Климов К.В., Иванов Н.В.) Разработано задание, реализовано оборудование и проведена финальная стадия олимпиады «Ломоносов», трек «Робототехника» (Рогачев А.А., Климов К.В., Буданов В.М.) Проведен всероссийский ракетный фестиваль и ракетостроительный чемпионат «Реактивное движение» среди школьников и студентов (Рогачев А.А., Климов К.В.) Проведен конкурс «Космическая робототехника - роверы» космической программы «Дежурный по планете» (Рогачев А.А., Климов К.В., Слабуха Н.В., Иванов Н.В.) Принято участие в выставке «Наука 0+» на стенде НИИ механики МГУ в России, Белорусси, Узбекистане, Кубе. (Рогачев А.А., Климов К.В., Капытов Д.В., Данилов В.А.) Участие в конгрессе молодых ученых со стендом (Рогачев А.А., Климов К.В., Данилов В.А.) Разработано задание и проведен хакатон по шагающим роботам на базе НИИ механики МГУ (Рогачев А.А., Климов К.В., Капытов Д.В., Данилов, В.А.) Стали победителями премии «За верность науке» в номинации «Специальный приз имени Христофора Леденцова за популяризацию космической отрасли» (Рогачев А.А., Климов К.В.) Продолжена работа центра дополнительного образования, реализованы программы дополнительного образования для 888 школьников г. Москвы, (Буданов В.М., Формальский А.М., Лавровский Э.К., Климов К.В., Слабуха Н.В., Данилов В.А., Бесчастнов И.В., Капытов Д.В., Нугуманов И.Р., Ольховская Е.А.)
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: Теоретические и экспериментальные исследования. Разработка и исследование шагающих робототехнических платформ. Ведущим направлением стало создание и изучение конструкций компактных шагающих машин. Была разработана конструкция компактной шагающей машины на электрических приводах, предназначенной для выполнения исследовательских задач. Параллельно проведены исследования малогабаритного четвероногого шагающего робота на базе бесколлекторных моторов. Разработаны адаптивные алгоритмы управления, что позволило перейти от движения по ровному полу к движению по достаточно неровным поверхностям. Проведена серия экспериментальных работ по апробации этих алгоритмов. Эти работы заложили основу для создания подвижных платформ с повышенной проходимостью, обладающих потенциалом для применения в разведке, мониторинге и работе в сложных ландшафтных условиях [Климов К.В. и др., Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2025; Буданов В.М. и др., Известия РАН. Теория и системы управления, 2025]. Исследования в области управления манипуляционными системами. Основное направление работ связано с разработкой и исследованием шестизвенного манипулятора "RUKA". Проведено комплексное исследование его кинематики с использованием современного математического аппарата бикватернионов, что позволило получить эффективные алгоритмы для решения обратных кинематических задач. Эти результаты заложили фундамент для разработки систем управления высокой точности и быстродействия. Разработаны и исследованы алгоритмы оптимального и динамического управления для решения прикладных задач с использованием манипулятора, таких как манипулирование объектами на подвижной платформе. Особое внимание уделено актуальной задаче стабилизации неустойчивых объектов (на примере шара на платформе), для которой предложен и успешно апробированы методы синтеза управления на основе назначения спектра и построения функции, напрямую влияющей на собственный корень с положительной действительной частью. Исследования носят не только фундаментальный, но и прикладной характер, демонстрируя потенциал отечественных разработок для решения задач технологической независимости. Аналитический обзор современных манипуляционных систем. Проведен комплексный анализ состояния рынка и технических характеристик робототехнических манипуляторов. В рамках данного направления подготовлен детальный обзор серийных манипуляторов грузоподъемностью до семи килограммов. Эта работа систематизирует знания об имеющихся на рынке решениях, что имеет важное значение для выбора технологий при проектировании новых робототехнических комплексов и их интеграции в технологические процессы [Рогачев А.А. и др., Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2025]. Исследования в области кинематики и управления сложными робототехническими системами. Выполнены фундаментальные исследования в области кинематики сложных механизмов. В частности, решена задача о скоростях и положениях для модифицированного механизма ротопода с четырьмя кинематическими цепями, что вносит вклад в теорию параллельных структур [Глазунов В.А. и др., Станкоинструмент, 2025]. На прикладном уровне разработаны и исследованы алгоритмы робастного управления для многосуставного манипулятора, установленного на колесном космическом ровере, с целью сбора объектов. Разработанные методы управления высокого порядка скользящего режима обеспечивают отказоустойчивость и точность выполнения операций в условиях неопределенности, моделируя работу в сложной внеземной среде [Smirnov A. и др., Journal of Field Robotics, 2025]. Перспективные разработки в области биомеханики и реабилитационной робототехники. На основе накопленного опыта в области управления мехатронными системами и анализа биомеханических процессов лаборатория начала новое перспективное направление, связанное с разработкой активного коленного модуля (активного протеза коленного сустава). В рамках данной тематики уже выполнены предварительные теоретические исследования и проработка концепции управления, которые легли в основу курсовых работ студентов лаборатории. Работа в этом направлении направлена на создание высокотехнологичного отечественного изделия медицинского назначения. В рамках работ по созданию прототипа активного коленного модуля протеза ноги был проведен ряд научных консультаций, а также заключено соглашение об обмене научной информацией между НИИ Механики МГУ и ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России. Продолжена работа по обоснованию аналитического метода построения периодических решений для нелинейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений полиномиального типа. Периодические решения строятся в виде рядов Фурье, коэффициенты которых являются полиномами, зависящими от параметра. В качестве примеров рассмотрены уравнение Ван дер Поля и система Лоренца. В первом случае приводится результат шестого приближения, показывающий сходимость при единичном значении параметра. Для второго случая приведено аналитическое решение для третьего приближения и решение с числовыми коэффициентами для девятого приближения. В этом случае построенный предельный цикл имеет значительную амплитуду, является существенно нелинейным и приближается к гомоклинической траектории. При этом процесс построения последовательных приближений является сходящимся. Эти результаты находятся в противоречии с практически общепринятой точкой зрения, которую можно охарактеризовать двумя утверждениями. Первое: «Нелинейные системы реально исследовать только при наличии малого параметра». Второе: «Любые методы построения последовательных приближений приводят к расходящимся формальным рядам». При этом оба утверждения обычно связываются с именем А.Пуанкаре. В связи с этим проанализирован основополагающий труд А.Пуанкаре «Новые методы небесной механики». Выяснено, что в основном труд посвящен обоснованию сходимости рядов, получаемых различными методами, причем при конечных, пусть и «достаточно малых» значениях параметра. Поэтому ссылка на него по расходимости рядов в общем случае некорректна. Расходимость имеет место в частных случаях и частных задачах. Результаты работы докладывались на трех конференциях (Буданов В.М.). Полученные результаты дают основу для теоретического анализа нежелательных колебательных режимов, возникающих при управлении робототехническими системами. Продолжены работы по построению системы автономного движения колесного робота на сложной местности с использованием технического зрения и лидара. Рассмотрена задача навигации автономного мобильного робота (ровера) по незнакомой местности с использованием методов семантической сегментации. Исследована задача поиска и распознавания препятствий, возникающих по ходу движения ровера. Проведен обзор и сравнение современных нейросетевых архитектур, предназначенных для семантической сегментации применительно к поставленной задаче. Результаты представлены в двух статьях в журнале Pattern Recognition and Image Analysis: Advances in Mathematical Theory and Applications и двух докладах на международной конференции Ломоносовские чтения - 2025. Секция математики., Москва, Россия, 24 марта - 4 апреля 2025. (Буданов В.М., совместно с сотрудниками мех.-мат. факультета МГУ) Рассмотрена механическая система с двумя степенями свободы, содержащая два абсолютно жестких тела. Эти тела соединены невесомым вязкоупругим стержнем, который может растягиваться или сжиматься. Каждое тело может перемещаться поступательно вдоль фиксированной прямой, параллельной стержню. К одному из тел прикладывается управляющая сила, ограниченная по величине. Сила направлена вдоль стержня. Разработан непрерывный во времени кусочно-линейный (трапецеидальный) механизм управления, который переводит систему из одного положения равновесия в другое за время, близкое к минимально возможному. Разработанный механизм управления позволяет избежать нежелательных вибраций в системе. Кроме того, он устойчив к параметрам демпфирования и жесткости стержня. Результаты доложены на 10-м Международном конгрессе Сербского общества механиков (Формальский А.М., Селюцкий Ю.Д.) Научно - образовательная деятельность Продолжена активная работа по интеграции научных результатов в учебный процесс. Подготовлены и запущены два дистанционных курса по подготовке к ЕГЭ по профильной математике, рассчитанных на разные уровни подготовки школьников. Это способствует привлечению талантливой молодежи в точные науки и, в перспективе, в область робототехники. К научно исследовательским работам лаборатории активно привлекаются студенты механико математического факультета и факультета космических исследований МГУ. В настоящее время сотрудники осуществляют руководство тремя аспирантами и десятью студентами что подтверждается их активным участием в конференциях и публикациями. Результатом эффективной научно-исследовательской работы молодых сотрудников лаборатории стали значимые достижения. Студенческая команда МГУ, лидером которой является судент 6-го курса Смирнов А.А., успешно выступила на международных студенческих космических соревнованиях IRC-2025 (Индия, февраль 2025) и CIRC-2025 (Канада, август 2025, второе место). Инженер 2й категории, студент 6-го курса механико-математического факультет Сафонова Н.К. была удостоена диплома 1-й степени" в номинации "Лучшая работа студента" и диплома 2-й степени на Конференции-конкурсе молодых ученых НИИ механики МГУ в 2025 году. Группа сотрудников участвовала в конгрессе молодых ученых со стендом (Рогачев А.А., Климов К.В., Данилов В.А., Бесчастнов И.В.) Читаются два курса: «Колебания и волны» на английском языке для студентов механико- математического факультета (Буданов В.М.) и «Программирование роботов на ROS» для студентов Факультета Космических Исследований (Щербов Р.М.) Также ведется активная деятельность по привлечению школьников в робототехнику, как на уровне непосредственного участия в мероприятиях общероссийского и регионального уровня для школьников ( олимпиады, соревнования, курсы и т.д.), так и на уровне работы с преподавателями среднего и среднего специального образования (курсы повышения квалификации). Ниже приведен список мероприятий по этому направлению. - «Национально технологическая олимпиада» -Курс «Подготовка к ЕГЭ по профильной математике (продвинутый уровень)». -Дистанционный курс «Подготовка к ЕГЭ по профильной математике (начальный уровень)». -Подготовлены задания и проведены отборочные и заключительные этапы Московской Олимпиады Школьников (МОШ) по робототехнике -Подготовлены задания и проведены отборочные и заключительные этапы ТехноГТО по космическим технологиям -Выполнен ежегодный всероссийский проект по управлению роверами, разработанными на базе лаборатории, в рамках дистанционного подключения на базе площадки НИИ механики -Разработано задание, реализовано оборудование и проведена финальная стадия олимпиады «Ломоносов», трек «Робототехника» -Проведен всероссийский ракетный фестиваль и ракетостроительный чемпионат «Реактивное движение» среди школьников и студентов -Проведен конкурс «Космическая робототехника - роверы» космической программы «Дежурный по планете» -Принято участие в выставке «Наука 0+» на стенде НИИ механики МГУ в России, Белорусси, Узбекистане, Бразилии -Участие летней школе Харбинского политехнического университета в Китае. Проведен мастер-класс на тему "Динамика и управление обратным маятником с маховиком". -Лекция студентам и преподавателям Харбинского университета во время их Визита в НИИ Механики МГУ. Обучено 26 человек по программе повышения квалификации «Введение в современную робототехнику на основе ROS» в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А.) Обучено 12 человек по программе повышения квалификации «Проектная деятельность для школьников на примере изготовления моделей ракет» в очно-дистанционном формате на платформе «Университет без границ». (Олейников В.В., Рогачев А.А., Климов К.В.) Продолжена работа центра дополнительного образования, реализованы программы дополнительного образования для 925 школьников г. Москвы, (Фомина А.О., Буданов В.М., Формальский А.М., Климов К.В., Слабуха Н.В., Данилов В.А., Бесчастнов И.В., Капытов Д.В., Ольховская Е.А., Олейников В.В., Сафонова Н.К. )
8 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: -
9 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: -
10 1 декабря 2028 г.-31 декабря 2028 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: -
11 1 января 2029 г.-31 декабря 2029 г. Проблемы управления робототехническими и биомехатронными системами
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".