रोबोट स्थिरता कैसे बनाए रखते हैं?


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मैं एक रोबोट की एक क्लिप देख रहा हूं जो उसके पीछे एक भारी भार खींच रहा है।

मैं सोच रहा हूं, काफी उच्च स्तर पर, रोबोट अपना संतुलन कैसे बनाए रखता है ?

उदाहरण के लिए, मुझे पता है कि एक सेगवे के साथ, एक जाइरोस्कोप है जो होश रखता है कि किस दिशा में सेगवे झुकाव कर रहा है, जिससे संतुलन बनाए रखने के लिए पहियों को तदनुसार स्थानांतरित करने की अनुमति मिलती है। क्या रोबोट को स्थिर करने के साथ भी यही सिद्धांत है?

मैंने यह भी देखा है कि कुछ रोबोट स्थिरीकरण के लिए एक्सेलेरोमीटर का उपयोग करते हैं। क्या रोबोट को एक्सेलेरोमीटर और जाइरोस्कोप दोनों की जरूरत होती है ?

क्या किसी प्रकार का आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पीआईडी) नियंत्रक भी होगा, जैसे कि जब रोबोट यह नोटिस करता है कि यह पीछे की ओर खिसक रहा है, तो अतिरिक्त अतिरिक्त बल बल रोबोट को ओवरशूट करने का कारण नहीं बनता है?


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Segway के लिए, "उल्टे पेंडुलम" समस्या को देखें।
CCovey

जवाबों:


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पीआईडी, एलक्यूआर, और एलक्यूजी प्रतिक्रिया नियंत्रण कानून समाधान के केवल छोटे टुकड़े हैं। अकेले, ये विधियाँ आमतौर पर संतुलित द्विध्रुवीय चलने की समस्या को हल नहीं कर सकती हैं।

इसका कारण यह है कि इन उल्लिखित नियंत्रण कानूनों को एक एकल, स्थिर संतुलन बिंदु पर गतिशीलता भेजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यदि हमारा लक्ष्य केवल खड़े रहते हुए रोबोट को संतुलित रखना है, तो उपरोक्त नियंत्रण कानून पर्याप्त हैं। सीधे खड़े होने से रोबोट के डायनेमिक कॉन्फ़िगरेशन स्थान में एक बिंदु होता है और ये नियंत्रण कानून छोटे बिंदुओं के संबंध में उस बिंदु को स्थिर बना सकते हैं।

दूसरी ओर स्थिर चलना, विन्यास स्थान में आवधिक प्रक्षेपवक्र के बाद की गतिशीलता भी शामिल है (साधारण अंतर समीकरण शब्दावली में एक स्थिर सीमा चक्र के रूप में भी जाना जाता है)। यह सुनिश्चित करने के लिए नियंत्रण कानूनों को डिजाइन करना कि अति-गतिकी के साथ जुड़े गैर-रैखिकता के कारण यह बहुत मुश्किल है। अक्सर, यह विश्लेषणात्मक रूप से नहीं किया जा सकता है और केवल परीक्षण और त्रुटि से पूरा करने के लिए बहुत जटिल (या जोखिम भरा) है। इसके बजाय, यह अक्सर प्रक्षेपवक्र अनुकूलन नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से संख्यात्मक रूप से किया जाता है, जहां रोबोट का एक "आदर्श पथ" निर्धारित होता है और एक संख्यात्मक विधि इस पथ के लिए सबसे अच्छा सन्निकटन निर्धारित करती है जो रोबोट प्राप्त कर सकता है, जहां "सर्वश्रेष्ठ" के लिए मानदंड है " एक विशेष रूप से चुने हुए लागत फ़ंक्शन द्वारा निर्धारित किया जाता है जो रोबोट के आदर्श पथ और सीमाओं दोनों के लिए खाता है।

अक्सर, समाधान में एक्ट्यूएटर्स पर गैर-स्थिर लाभ शामिल होते हैं। यह कुछ ऐसा है जो पीआईडी ​​जैसे रैखिक प्रतिक्रिया कानून प्राप्त नहीं कर सकता है। पीआईडी ​​एक विशेष एक्ट्यूएटर के साथ एक विशेष कार्रवाई को प्राप्त करने की कोशिश करते समय खेल में आता है, लेकिन चलने के दौरान गतिशील संतुलन की समग्र समस्या से निपटने के लिए पर्याप्त से दूर है।

यह चर्चा, यह भी मानती है कि आपके पास शुरू करने के लिए रोबोट की गतिशीलता का एक "अच्छा मॉडल" है। वह, मेरा दोस्त, अपने आप में एक पूरी तरह से अलग संघर्ष है।


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पारंपरिक प्रतिक्रिया नियंत्रण की सीमाओं का अच्छा संक्षिप्त विवरण। +1
क्रिस जॉन्स

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स्पष्ट रूप से आवेदन और डिजाइन दृष्टिकोण के आधार पर इसके लिए कई अलग-अलग संभावित समाधान हैं। इसके अलावा, जैसा कि वीडियो से स्पष्ट है, द्विपाद रोबोट अभी भी चलने में लालित्य के स्तर को प्राप्त करने से एक लंबा रास्ता तय कर रहे हैं, जो कि अधिकांश मनुष्य थोड़ा सचेत प्रयास के साथ प्रबंधित करते हैं।

जैसा कि मनुष्यों के साथ सबसे महत्वपूर्ण तुलना है, यह देखने लायक है कि मनुष्य कैसे संतुलन बनाए रखता है। यह कॉन्सर्ट में काम करने वाले बहुत सारे इंद्रियों को शामिल कर सकता है।

एक मुख्य अंग आंतरिक कान में ट्यूबों का सेट है, जो अनिवार्य रूप से एक्सीलरोमीटर का एक सेट है। मनुष्य के पास एक सहज ज्ञान भी होता है जहां हमारे अंग बाहरी दबाव के काफी परिष्कृत अर्थ के अलावा अंतरिक्ष में होते हैं और वास्तव में हमारी मांसपेशियों को कितना बल प्रदान करते हैं।

स्पष्ट रूप से दृष्टि भी बहुत महत्वपूर्ण है, न केवल संवेदन बाधाओं के लिए, बल्कि गति, स्थिति और अभिविन्यास के लिए एक संदर्भ बिंदु प्रदान करने में भी।

एक और बहुत महत्वपूर्ण कारक यह है कि मानव शरीर में बहुत अधिक स्वतंत्रता है और सैकड़ों अलग-अलग मांसपेशियां हैं जो स्प्रिंग्स और डैम्पर्स के साथ-साथ एक्ट्यूएटर्स के रूप में कार्य कर सकते हैं। वास्तव में, यह ह्यूमनॉइड रोबोट चलने में बड़ी चुनौतियों में से एक है। हालांकि मुख्य जोड़ों (जैसे कूल्हों, घुटनों और टखनों) को इकट्ठा करना मुश्किल नहीं है और उन्हें वायवीय पिस्टन के जोड़े के साथ प्रदान करना है, वास्तविक मनुष्यों में पूरे शरीर को समायोजित करने के लिए स्थिर, सूक्ष्म और गतिशील समायोजन के साथ संतुलन बनाए रखने में शामिल है। द्रव्यमान केंद्र।

नियंत्रण प्रणाली के वास्तविक तंत्र के संदर्भ में यह काफी स्पष्ट है कि एक मानव मस्तिष्क पारंपरिक सॉफ्टवेयर नियंत्रण से बहुत अलग चीज है। बड़ी चुनौतियों में से एक यह है कि एक कार को स्टीयरिंग की तरह कुछ के विपरीत, जहां एक निश्चित नियंत्रण इनपुट एक ज्ञात प्रतिक्रिया देता है, सिस्टम की पूरी ज्यामिति चलने के साथ लगातार बदल रहा है और आवश्यक इनपुट बड़ी संख्या में विभिन्न मांसपेशियों का योग हो सकता है , वास्तव में एक ही आउटपुट प्राप्त करने के लिए बड़ी संख्या में संभावित इनपुट हो सकते हैं।

इसे ध्यान में रखते हुए नियंत्रण के लिए कई दृष्टिकोण हैं। पहला वह है जिसे आप 'ब्रूट फोर्स एप्रोच' कह सकते हैं, जहां आपके पास कई सेंसर और बहुत सारी कंप्यूटिंग शक्ति है जो पूरे सिस्टम को फ्री बॉडी डायग्राम की एक श्रृंखला के रूप में मॉडल करने के लिए और पूरे सिस्टम को पर्याप्त विस्तार से मॉडल करने की कोशिश करते हैं जो पीआईडी ​​कंट्रोल कर सकते हैं असरदार बनो। लेकिन जैसा कि पहले ही यहां बताया गया है कि किसी दिए गए सुधार के लिए अपेक्षित प्रतिक्रिया अस्पष्ट हो सकती है।

एक अन्य दृष्टिकोण एक एल्गोरिथ्म के साथ आने के लिए है जो प्रतिक्रिया-आधारित नियंत्रण के अधिक सीमित डिग्री के साथ कुछ निश्चित तरीकों से प्रतिक्रिया करता है, यानी आपके पास एक पूर्व निर्धारित 'मानक' चाल है और कुछ गलत होने पर सुधार करें।

एक तीसरा और संभावित रूप से अधिक शक्तिशाली तरीका एक विकासवादी सीखने के प्रकार के दृष्टिकोण का उपयोग करना है जहां आप सेंसर और एक्ट्यूएटर्स को सॉफ़्टवेयर एक्सेस देते हैं और 'सफलता' के लिए कुछ मानदंड स्थापित करते हैं और बस इसे परीक्षण और त्रुटि के साथ प्राप्त करते हैं। इस मामले में सॉफ़्टवेयर नियंत्रण प्रणालियों को बहुत यादृच्छिक रूप से विकसित करता है और उन्हें बाहर करने की कोशिश करता है, उन संस्करणों को हटा देता है जिनके पास कम सफलता स्कोर होते हैं और जो बेहतर काम करते हैं उन्हें यादृच्छिक रूप से जोड़ते हैं।


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रोबोट की संभावना बॉडी एक्सेलेरोमीटर है और यह शरीर के लिए स्पष्ट या निहित आनुपातिक और अभिन्न नियंत्रण के साथ वेग ट्रैकिंग नियंत्रक का उपयोग करने के लिए इसे एकीकृत करता है।
- यह रोबोट को उसी गति से आगे बढ़ाता रहेगा, जिस वजन को वह खींच रहा है, वह ऊपर जाता है।
रोबोट शरीर के संतुलन को 2 तरीकों से मापा जा सकता है:
1) सबसे सीधा है रोबोट की ज्यामिति और प्रत्येक संयुक्त 2 पर माप का उपयोग करना) या गति के उच्च आवृत्ति वाले भाग के लिए गायरोस्कोप के साथ एक कलमन फ़िल्टर का उपयोग किया जा सकता है और बहुत कम आवृत्ति भाग के लिए संयुक्त माप। एक अन्य विकल्प एक बल ट्रांसड्यूसर होगा जो टोकरी से खींच को मापता है जो इसे खींच रहा है और इसका उपयोग पैर के जोड़ों पर एक प्रतिक्रियाशील टोक़ उत्पन्न करने के लिए करता है।

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