Иерархия моделей в робототехнике: от концепции до финального решения

В современном мире робототехника занимает центральное место в инженерном образовании и практическом применении инноваций. Одним из эффективных инструментов в разработке робототехнических систем является иерархия моделей.

Иерархия моделей в робототехнике позволяет эффективно моделировать процессы, связанные с роботами и автоматизированными системами. Исследователи в этой области внесли существенный вклад в развитие как теоретических, так и практических аспектов, применяя разнообразные подходы и методологии.

Построение иерархии моделей позволяет последовательно от абстрактной идеи перейти к полнофункциональному решению, что особенно важно при решении сложных задач. В данной статье рассмотрим, как образовательный проект по созданию робота «Перилыч» демонстрирует применение иерархического подхода, а также как этапы эволюции робота связаны с моделированием объектов и процессов.

Иерархия моделей представляет собой структурированный процесс, в ходе которого каждая следующая стадия разработки основывается на результатах предыдущей. Такой подход позволяет:

• Систематизировать решение задачи. Каждый этап уточняет требования и повышает детализацию проекта.
• Выявлять слабые места на ранних стадиях. Анализ проблем базовой модели помогает избежать дорогостоящих ошибок в финальной версии.
• Оптимизировать разработку. Переход от концептуальной модели к финальной интеграции помогает минимизировать затраты ресурсов и времени.

Основные этапы иерархии моделей включают:

• Концептуальная модель. Формулируется суть проблемы и обрисовывается общее решение. В нашем случае – необходимость автоматизации очистки лестниц ГЭС для повышения безопасности и эффективности работы.
• Функциональная модель. Определяются ключевые функции робота: устойчивость на наклонных поверхностях, эффективность работы щёток, простота управления и наличие обратной связи.
• Физическая модель. Создаются первые прототипы, которые позволяют оценить реальные возможности конструкции и выявить недостатки.
• Программная модель. Разрабатывается алгоритм управления роботом, обеспечивающий выполнение необходимых функций с учетом специфики объекта (лестницы, наклон, тип покрытия).
• Финальная интеграция. Объединяются аппаратные и программные решения для получения полнофункциональной системы, готовой к эксплуатации в реальных условия.

Образовательный проект по созданию робота «Перилыч» иллюстрирует, как поэтапное развитие позволяет существенно улучшить характеристики устройства. Рассмотрим этапы эволюции:

Формирование концепции (Концептуальная модель)

На данном этапе учащиеся детально анализируют проблему – необходимость ежедневной очистки лестниц от снега на ГЭС, сопряжённую с риском травм и значительными затратами ресурсов. Были сформулированы ключевые требования к будущему роботу:

• Безопасность эксплуатации.
• Надёжность на наклонных и скользких поверхностях.
• Эффективность очистки и возможность автономного управления.

Это определило отправную точку для создания концептуальной модели робота.

 Определение функциональных требований (Функциональная модель)

Следующим этапом стала разработка функциональной модели, где были выделены и детально описаны ключевые функции будущего робота:

- Устойчивость. Робот должен сохранять равновесие на наклонных и скользких поверхностях, обеспечивая безопасное перемещение.

- Эффективность очистки. Щётка и манипулятор должны обеспечить равномерное и качественное удаление снега с различных участков лестницы.

- Управляемость. Система управления должна позволять точное позиционирование робота, а также оперативное реагирование на изменения условий.

- Обратная связь. Важно предусмотреть возможность мониторинга состояния робота и уведомления оператора о завершении работы или возникших неполадках.

Эта функциональная модель стала основой для проектирования дальнейших этапов, позволяя четко определить, какие задачи необходимо решить на физическом и программном уровнях.

Создание базовой физической модели

На базе конструктора LEGO Education Mindstorms EV3 была собрана первая версия робота. Базовая модель включала:

• колесную базу робота, состоящую из двух больших моторов и четырех колес малого и большого диаметров с фиксаторами для лучшего сцепления с перилами.
• корпус робота, включающий контроллер, средний мотор, гусеничный механизм с рычагом на червячной передаче для подъема и опускания щётки;
• модель легощётки для очистки;
• простой алгоритм движения, не учитывающий все нюансы поверхности лестниц.

В процессе отладки первой версии робота были выявлены следующие недостатки:

• недостаточная устойчивость робота на перилах:
• неверное определение центра тяжести конструкции модели;
• неравномерное движение рычага с щёткой вдоль гусеничного механизма.

Модернизация физической и функциональной моделей

После анализа первого прототипа команда перешла к доработке физической модели:

• Усиление конструкции - смещение центра тяжести позволило значительно повысить устойчивость робота и избежать его схода с перил.
• Добавление направляющей линии для плавного движения рычага по гусенице. Это позволило роботу легче преодолевать препятствия и двигаться более равномерно.
• Снижение веса. Оптимизация конструкции позволила уменьшить массу робота с 1476 грамм до 872 грамм, что положительно сказалось на манёвренности.
• Добавление в конструкцию датчика гироскопа для более точного движения робота вдоль перил.

Одновременно совершенствовался алгоритм работы (программная модель):

• Улучшение логики движения для более точного отслеживания геометрии лестниц.
• Внедрение системы обратной связи для мониторинга состояния робота и своевременного уведомления оператора о завершении цикла очистки.

Разработка интегрированной финальной модели

Финальный этап включал объединение всех улучшений:

• Физическая интеграция. Лёгкий и прочный корпус, оптимизированное расположение двигателей и элементов управления.
• Программное обеспечение. Полностью переработанный алгоритм, учитывающий все особенности лестничных конструкций и обеспечивающий плавное движение манипулятора.
• Тестирование в реальных условиях. Испытания проводились на имитированных и реальных объектах (лестницы с перилами), что позволило убедиться в эффективности и надежности робота.

Иерархический подход к моделированию не только позволяет создавать эффективные инженерные решения, но и служит мощным образовательным инструментом. В процессе работы над проектом школьники:

• Осваивают методы анализа и системного мышления.
• Получают практический опыт в разработке и тестировании прототипов.
• Учатся работать в команде, распределять задачи и принимать решения на основе данных испытаний.

Такой подход не только стимулирует интерес к инженерии и науке, но и помогает формировать навыки, необходимые для будущей профессиональной деятельности.

Пример робота «Перилыч» ярко демонстрирует, как последовательное применение иерархии моделей ведет от первоначальной идеи к готовому техническому решению. Каждая стадия разработки – от концептуальной модели до финальной интеграции – вносила свой вклад в повышение эффективности, безопасности и надежности робота. В результате образовательный проект не только решил конкретную задачу по автоматизации очистки лестниц ГЭС, но и стал ценным опытом в обучении инженерному мышлению и практическому применению технологий.

1. Митрофанов, В. П., Левчук, В. В. Основы теории автоматического управления и робототехники: учебное пособие. – Москва: Научное издательство, 2019. – 320 с.
2. Титов, Е. Н. Иерархия моделей в робототехнике: теория и практика. – Санкт-Петербург: Издательство СПбГТУ, 2020. – 256 с.
3. Гусев, И. А. Моделирование и проектирование роботизированных систем. – Екатеринбург: Уральское федеральное университет, 2018. – 280 с.
4. Сидоров, А. В. Современные подходы к созданию автономных робототехнических систем. – Новосибирск: Издательство НГУ, 2017. – 340 с.
5. Лобанов, М. Ф. Алгоритмы и модели в робототехнике. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2021. – 400 с.
6. Петрова, Н. С., Кузнецов, Д. А. Адаптивные системы управления для мобильных роботов. – Москва: Академический проект, 2022. – 230 с.
7. Смирнов, В. И. Роботы и автоматизация: от теории к практике. – Ростов-на-Дону: Ростовское издательство, 2016. – 250 с.
8. Заяц А. В., Заяц М. Л., Гуляева Л. И. Инженерные расчеты: основа эффективного проектирования роботов // Научные высказывания. 2025. №2 (70)
9. Заяц А. В., Путилова А. А., Гуляева Л. И. Профориентация в инженерном образовании: опыт работы технопарка «Кванториум» МАОУ Политехническая гимназия // Научные высказывания. 2024. №20 (67). С. 33-36