Применение метода FABRIK для моделирования захвата цели манипулятором

  • Alexander Sergeevich Haryunin Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского http://orcid.org/0000-0003-1029-3938
  • Evgeniya Alexandrovna Samylina Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" http://orcid.org/0000-0001-8537-8851
  • Nikolay Anatolievich Borisov Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского http://orcid.org/0000-0003-3924-8591

Аннотация

В работе рассматривается метод инверсной кинематики FABRIK (Forward and Backward Reaching Inverse Kinematics). Алгоритм рассматривается применительно к задаче перемещения манипулятора с последующим захватом цели. Приведено несколько подходов к решению поставленной задачи, а именно: захват при помощи манипулятора с мощным магнитом, устройство захвата типа "клешня", различные вариации манипуляторов, использующих две подвижные плоскости для захвата цели, манипулятор с устройством захвата типа "гарпун". Данные методы рассматриваются с точки зрения применения ограничений, наложенных на углы поворотов звеньев манипулятора.
Далее в статье описаны подробнее наиболее перспективные методы из перечисленных с точки зрения авторов. Для прогнозирования положения в пространстве цели захвата предложено использовать фильтр Калмана, что делает возможным адекватно спланировать движение манипулятора для захвата движущейся цели.
В перспективе развития данного подхода планируется использование дополнительного захвата пальчикового типа в условиях большего множества ограничений (ограничения на углы манипулятора, на его габариты и задания области возможных перемещений в пространстве), а также использование методов прогнозирования движения объектов на основе фильтрации параметров движения с использованием аппарата стохастических дифференциальных уравнений.

Сведения об авторах

Alexander Sergeevich Haryunin, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

аспирант, ассистент кафедры прикладной инженерии, Институт информационных технологий, математики и механики

Evgeniya Alexandrovna Samylina, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"

аспирант кафедры фундаментальной математики

Nikolay Anatolievich Borisov, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

доцент кафедры прикладной инженерии, Институт информационных технологий, математики и механики, кандидат технических наук, доцент

Литература

1.Kharyunin A.S., Kildishev M.G., Borisov N.A. Reshenie zadachi inversnoj kinematiki metodom FABRIK [Solution of the inverse kinematics problem using the FABRIK method]. In: V.A. Sukhomlin (Ed.) Proceedings of the International Conference on Modern Information Technologies and IT-Education. CMC MSU Publ., Moscow; 2019. p. 212-219. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38581996 (accessed 17.12.2020). (In Russ.)
2.Strashnov E.V., Maltsev A.V. Grasp planning for virtual anthropomorphic robot using inverse kinematics. Proceedings of SRISA RAS. 2019; 9(3):66-72. (In Russ., abstract in Eng.) DOI: https://doi.org/10.25682/NIISI.2019.3.0009
3.Ankudinov V.Kh., Maksimov A.V. Inverse Kinematics of Walking Robot-Hexapod. Elektromagnitnye volny I elektronnye sistemy = Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2019; 24(7):16-23. (In Russ., abstract in Eng.) DOI: https://doi.org/10.18127//j15604128-201907-03
4.Arkhipov A.E., Dedov D.L., Sidorchuk A.O., Bocharova A.N. Application of motion capture system and inverse kinematics in training complexes. Proceedings of the International Conference on Virtual modeling, prototyping and industrial design. TSTU Publ., Tambov; 2020. p. 73-76. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42357459 (accessed 17.12.2020). (In Russ.)
5.Maryshev P.A., Kuzovkov S.G. Modelirovanie inversnoj kinematiki manipuljatora sredstvami MATHCAD [Modeling of inverse kinematics of the manipulator by means of MATHCAD]. Proceedings of the International Conference on Scientific progress - creativity of young. Volga Tech Publ., Yoshkar-Ola; 2014. p. 105-107. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25119720 (accessed 17.12.2020). (In Russ.)
6.Collins T.J., Shen W. Particle Swarm Optimization for high-DOF inverse kinematics. 2017 3rd International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR). Nagoya, Japan; 2017. p. 1-6. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/ICCAR.2017.7942651
7.Murray R.M., Li Z., Sastry S.S. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. 1st ed. CRC Press; 1994. (In Eng.)
8.Parger M., Mueller J.H., Schmalstieg D., Steinberger M. Human Upper-Body Inverse Kinematics for Increased Embodiment in Consumer-Grade Virtual Reality. Proceedings of the 24th ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology (VRST'18). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA; 2018. Article 23. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1145/3281505.3281529
9.Omisore O.M., Han S., Ren L., Zhang N., Ivanov K., Elazab A., Wang L. Non-iterative geometric approach for inverse kinematics of redundant lead-module in a radiosurgical snake-like robot. BioMedical Engineering OnLine. 2017; 16(1):93. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1186/s12938-017-0383-2
10.Wang L.-T., Chen C.C. A combined optimization method for solving the inverse kinematics problems of mechanical manipulators. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 1991; 7(4):489-499. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/70.86079
11.Gupta K., Kazerounian K. Improved numerical solutions of inverse kinematics of robots. Proceedings. 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation. St. Louis, MO, USA, 1985. p. 743-748. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/ROBOT.1985.1087237
12.Tolani D., Goswami A., Badler N.I. Real-Time Inverse Kinematics Techniques for Anthropomorphic Limbs. Graphical Models. 2000; 62(5):353-388. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1006/gmod.2000.0528
13.Ahn J., Kim M., Kim S., Lee S., Park J. Formation-Based Tracking Method for Human Following Robot. 2018 15th International Conference on Ubiquitous Robots (UR). Honolulu, HI, USA; 2018. p. 24-28. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/URAI.2018.8441820
14.Bentrah A. et al. Full Body Adjustment Using Iterative Inverse Kinematic and Body Parts Correlation. Journal of Mobile Multimedia. 2014; 10(3-4):309-326. Available at: https://journals.riverpublishers.com/index.php/JMM/article/view/4581 (accessed 17.12.2020). (In Eng.)
15.Kharyunin A.S., Kildishev M.G., Borisov N.A. Demonstracija osvoenija kompetencij FGOS na primere realizacii algoritma inversnoj kinematiki v trehmernom prostranstve s uchetom ogranichenij [Demonstration of mastering the competencies of the Federal State Educational Standard on the example of the implementation of the inverse kinematics algorithm in three-dimensional space, taking into account the limitations]. Educational Technology & Society. 2019; 22(4):115-122.Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41233707 (accessed 17.12.2020). (In Russ.)
16.Danilov V.V., Kolpashchikov D.Y., Laptev N.V. Automatic control of a continuous robot using the FABRIK algorithm. Modeling, optimization and information technology. 2019; 7(4):1-2. (In Russ., abstract in Eng.) DOI: https://doi.org/10.26102/2310-6018/2019.27.4.004
17.Gerget O.M., Kolpashchikov D.Yu. Predotvrashhenie stolknovenij dlja nepreryvnogo robota s ispol'zovaniem algoritma FABRIK [Collision avoidance for continuous robot using FABRIK algorithm]. Proceedings of the International Conference on Management of Large-Scale System Development (MLSD’2019). ICS RAS, Moscow; 2019. p. 742-744. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.25728/mlsd.2019.1.0742
18.Abdallah M.A.Y., Baziyed M.S., Fareh R., Rabie T. Tracking control for robotic manipulator based on FABRIK algorithm. 2018 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET).Dubai, Sharjah, Abu Dhabi, United Arab Emirates; 2018. p. 1-5. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/ICASET.2018.8376844
19.Tao S., Yang Y. Collision-free motion planning of a virtual arm based on the FABRIK algorithm. Robotica. 2017; 35(6):1431-1450. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1017/S0263574716000205
20.Zhang W., Yang Z., Dong T., Xu K. FABRIKc: an Efficient Iterative Inverse Kinematics Solver for Continuum Robots. 2018 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). Auckland, New Zealand; 2018. p. 346-352. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1109/AIM.2018.8452693
21.Aristidou A., Lasenby J. FABRIK: A fast, iterative solver for the Inverse Kinematics problem. Graphical Models. 2011; 73(5):243-260. (In Eng.) DOI:https://doi.org/10.1016/j.gmod.2011.05.003
22.Lansley A., Vamplew P., Smith P., Foale C. Caliko: An Inverse Kinematics Software Library Implementation of the FABRIK Algorithm. Journal of Open Research Software. 2016; 4(1):e36. (In Eng.) DOI:http://dx.doi.org/10.5334/jors.116
23.Aristidou A., Chrysanthou Y., Lasenby J. Extending FABRIK with model constraints. Computer Animation and Virtual Worlds. 2015; 27(1):35-37. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1002/cav.1630
24.Kolpashchikov D.Y., Laptev N.V., Danilov V.V., Skirnevskiy I.P., Manakov R.A., Gerget O.M. FABRIK-Based Inverse Kinematics For Multi-Section Continuum Robots. 2018 18th International Conference on Mechatronics – Mechatronika (ME).Brno, Czech Republic; 2018. p. 1-8. (In Eng.)
25.Brammer K., Siffling G. Stochastic Fundamentals of the Kalman-Bucy Filter-Probability Theory and Stochastic Processes. Munich: Oldenbourg-Verlag; 1975. (In Eng.)
Опубликована
2021-04-15
Как цитировать
HARYUNIN, Alexander Sergeevich; SAMYLINA, Evgeniya Alexandrovna; BORISOV, Nikolay Anatolievich. Применение метода FABRIK для моделирования захвата цели манипулятором. Международный научный журнал «Современные информационные технологии и ИТ-образование», [S.l.], v. 17, n. 1, p. 116-123, apr. 2021. ISSN 2411-1473. Доступно на: <http://sitito.cs.msu.ru/index.php/SITITO/article/view/734>. Дата доступа: 25 jan. 2022 doi: https://doi.org/10.25559/SITITO.17.202101.734.
Раздел
Научное программное обеспечение в образовании и науке