КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00690

НазваниеИсследование и разработка подхода, методики и алгоритма распределения задач среди участников коллаборативной робототехнической системы в условиях неопределенности и с учетом их состояния

РуководительГалин Ринат Романович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-607 - Теория человеко-машинных систем управления

Ключевые словаколлаборативный робот, кобот, коллаборативная робототехническая система, смешанная команда, неоднородная команда, взаимодействие человека и робота, коллаборативное взаимодействие, эффективность взаимодействия

Код ГРНТИ28.23.27

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из основных научно-практических задач, связанных с повышением эффективности взаимодействия людей и коллаборативных роботов (коботов) в коллаборативных робототехнических системах (КРТС), является разработка новых методов, подходов и алгоритмов для повышения эффективности распределения работ (задач) среди участников подобных систем. Однако анализ ряда исследований и предлагаемых решений по распределению задач между участниками КРТС позволяет выделить следующие основные недостатки авторских методов, подходов, моделей и алгоритмов: 1. Технологический процесс работ не всегда представлен в виде сетевой модели, что не позволяет анализировать взаимозависимости операций и формировать последовательности действия для каждого отдельного участника КРТС. 2. Зачастую натурные эксперименты проводятся на базе одной робототехнической ячейки. Кроме того, результаты некоторых исследований связаны с задействованием КРТС исключительно на производственных линиях по сборке/разборке изделий. Таким образом, невозможно сделать вывод о возможности масштабирования предложенных решений на КРТС более сложного состава или их применимости для других, более комплексных задач. 3. Не всегда учитывается снижение эффективности работы операторов при накоплении усталости, а также возможные непредвиденные ситуации (в том числе ошибки оператора), увеличивающие время выполнения как отдельных операции, так и всей работы в целом. 4. Разделение операций по сложности может приводить к тому, что на их выполнение будут назначаться только люди или только коботы. Это может приводить к снижению уровня коллаборации в КРТС (т.е. к таким ситуациям, когда человек и кобот выполняют последовательности операций практически независимо друг от друга). В результате формируются отдельные, практически непересекающиеся контуры выполнения работ. Для устранения данных недостатков предлагается разработать авторские методику, подход и алгоритм по распределению задач между участников КРТС для работ, а также соответствующее программное обеспечение (ПО) для моделирования. Предполагается следующая научная новизна планируемых результатов работы: 1. Авторские методика, подход и алгоритм распределения задач в КРТС будут отвечать всем вышеуказанным требованиям, что позволит сформировать единую (универсальную) среду для моделирования выполнения работ участниками КРТС, получать субоптимальные решения по распределению задач между участниками на основании одного или нескольких критериев. Кроме того, возможность решения обратной задачи позволит использовать предлагаемое решение для составления рационального плана выполнения работ в рамках технологического процесса за максимальное заданное время, за максимально задаваемую стоимость работ (финансовые затраты) или минимально возможным составом участников КРТС. 2. В разрабатываемом ПО будет реализован весь вышеуказанный функционал, в том числе возможность задавать объем работ, требуемых к выполнению, в виде технологического процесса, задавать количество и состав КРТС, а также осуществлять воздействие на ход выполнения работ (за счет изменения значений характеристик участников КРТС, переопределения местоположения рабочих мест и т.д.). Кроме того, в предлагаемом ПО будет реализована возможность решения обратной задачи (моделирование выполнимости, временных и финансовых затрат на выполнение технологического процесса с различным составом КРТС).

Ожидаемые результаты
В результате выполнения планируется получение следующих результатов: 1. Методика, подход и алгоритм распределения задач в КРТС с возможностью задания технологического процесса и его декомпозиции на отдельные операции вплоть до атомарных (элементарных неделимых операций); количества и состава участников КРТС; эффективности выполнения отдельных операций каждым участником; критериев для минимизации (время выполнения, финансовые затраты или количество людей и/или коботов); количества рабочих мест и пространственной модели рабочего пространства; движения объекта воздействия (изделия); количества используемых дополнительных ресурсов (инструментов, оборудования и т.д.); случайного поведения (ошибок) людей, накопления усталости и снижения эффективности их работы со временем; возможности назначения более одного человека и/или кобота на выполнение определенности операции; учета доступности каждого участника КРТС в заданный момент времени; а также динамического переназначения участников КРТС на работы в случае непредвиденного сокращения их состава (условный выход из строя кобота или человека) или увеличения времени, необходимого для выполнения операции. 2. Моделирующий комплекс (ПО) для верификации работоспособности и эффективности предложенных методики, подхода и алгоритма распределения задач среди участников КРТС с возможностью ручного изменения любых характеристик и параметров на любом этапе выполнения технологического процесса (как в режиме реального времени, так и в виде запланированных событий). Научная значимость исследовательской работы заключается в разработке теоретических основ управления коллаборативными робототехническими системами. Ожидаемые результаты исследовательской работы позволят: - расширить функциональные возможности и области применения коллаборативных роботов на производственных объектах за счет упрощения процессов планирования их использования для решения требуемых задач; - упростить оценку выполнимости технологического процесса производственных работ, а также расчета количества и состава участников КРТС, времени и денежных средств, необходимых для выполнения работ; - снизить время, операционные затраты и/или количество людей и/или коботов, требуемых для выполнения коллаборативных производственных задач, за счет повышения эффективности распределения работ среди участников КРТС; - повысить эффективности взаимодействия человека и робота в целом на производственных объектах.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основной научной задачей, решаемой в проекте, является разработка новых методов, подходов и алгоритмов для повышения эффективности распределения работ (задач/операций) технологического процесса среди участников коллаборативных робототехнических систем (КРТС). За отчетный период в рамках реализации проекта получены следующие научные результаты: 1. Проведен качественный сравнительный анализ существующих методов, алгоритмов, подходов, моделей, методик и других решений, предлагаемых для распределения задач между участниками КРТС и командах и повышения эффективности распределения работ в КРТС [1, 2]. 2. Сформулированы функциональные требования, предъявляемые к разрабатываемому решению (методика и подход) и соответствующему математическому и алгоритмическому обеспечению, в том числе к представлению технического процесса в виде сетевой модели, задания количества и времени выполнения операций, параметров и состава участников КРТС, рабочих мест и пространственной модели, эффективности людей и коллаборативных роботов (коботов) в КРТС для выполнения операций, а также динамическому изменению условий выполнения работ участниками КРТС [1, 3, 4]. 3. Предложен набор критериев эффективности функционирования КРТС и эффективности распределения работ (операций) между участниками: выполнимость технологического процесса, состав исполнителей, степень задействования участников, финансовые затраты, время выполнения операции/технологического процесса, коллаборация людей и коботов. Сформирован набор критериев подбора состава исполнителей операции: доступность; доступность и эффективность свободных участников КРТС (с учетом минимального и максимального возможного состава исполнителей для конкретной операции) [1, 3]. 4. Разработаны подход и реализующий его алгоритм распределения работ в КРТС. Представлено описание технологического процесса в виде сетевой модели (ориентированного взвешенного графа). Предложен набор параметров, характеризующий операцию: минимально и максимально допустимый состав исполнителей, стандартное и реальное времени выполнения операции. Представлено описание состава КРТС в виде набора исполнителей – людей и коботов – с условной характеристикой «эффективность» и состоянием (выполняет операцию/свободен) [1]. Разработано математическое обеспечения для применения критериев минимизации (предложенных критериев эффективности функционирования КРТС и распределения операций между участниками). Предложено математическое обеспечение для разработанного подхода и реализующего его алгоритма распределения работ в КРТС, позволяющее задавать и учитывать пространственную модель рабочего пространства, изменение положения и состояния объекта воздействия (изделия), использование дополнительных ресурсов, случайное поведение и ошибки людей, накопление усталости и снижение эффективности работы людей со временем, а также динамическое переназначение участников КРТС на выполнение операции в случае внезапного выхода из строя кобота (коботов) или потери трудоспособности человеком (людьми) [3]. 5. Разработаны методика и реализующий ее алгоритм назначения одного или нескольких участников КРТС (в том числе гетерогенных) на выполнение операции с учетом их доступности, значений эффективности и пула свободных людей и коботов [3]. 6. Дополнительно разработаны метод и алгоритм расчета финансовых и/или энергетических затрат при выполнении работ участниками КРТС, а также метод и алгоритм распределения работ (операций) среди участников КРТС с минимизацией финансовых и/или энергетических затрат [2, 5]. 7. Подготовлена предварительная версия программного обеспечения, реализующего функционал разработанных подхода и методики [4]. Проведено предварительное моделирование предложенного подхода и реализующего его алгоритма в среде MATLAB для верификации и подтверждения адекватности разработанных решений [1]. За отчетный период подготовлено 5 публикаций, из них: - 3 публикации в рецензируемых научных изданиях, индексируемых базой данных Scopus [1, 2, 5]; - 1 публикация в рецензируемых научных изданиях, индексируемых базой данных РИНЦ [4]; - 1 публикация в научном издании ВАК, индексируемая в зарубежных базах данных [3]. Полученные в ходе выполнения первого этапа проекта научные результаты в дальнейшем будут использованы для решения задач 2-го года и достижения итоговой цели проекта. Ссылки на научные публикации, подготовленные в рамках реализации 1 этапа (года) выполнения проекта: 1. Galina S. B., Galin R. R. Approach to Efficient Task Allocation and Cost Minimization in Collaborative Robotic Systems // 2023 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon), Sochi, Russian Federation. – 2023. – P. 574–579. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10110790. 2. Galin R. R., Galina S. B. Approach to Efficient Task Allocation in a Collaborative Robotic System Using Modified Cost Functions // 2023 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon), Sochi, Russian Federation. – 2023. – P. 568–573. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10110787. 3. Галин Р.Р., Галина С.Б., Мамченко М.В. Подход к распределению работ в коллаборативной робототехнической системе с учетом модели рабочего пространства и динамического переназначения исполнителей // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. – Т. 6(116). – 2023. (принята в печать) https://www.kbncran.ru/izvestiya-htm/. 4. Мамченко М.В. Программное обеспечение для минимизации времени выполнения работ участниками коллаборативной робототехнической системы // Материалы 7-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Программная инженерия: современные тенденции развития и применения (ПИ-2023)». Курск: ЗАО «Университетская книга», 2023. С. 45-483. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=55051775. 5. Galin R. R., Mamchenko M. V., Galina S. B. Task Allocation Methodology in Collaborative Robotic Systems // 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). – 2023. – P. 1004–1009. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10272788.

 

Публикации

1. Галин Р.Р., Галина С.Б. Approach to Efficient Task Allocation in a Collaborative Robotic System Using Modified Cost Functions IEEE, P. 568-573 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110787

2. Галин Р.Р., Галина С.Б., Мамченко М.В. Подход к распределению работ в коллаборативной робототехнической системе с учетом модели рабочего пространства и динамического переназначения исполнителей Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, - (год публикации - 2023)

3. Галин Р.Р., Мамченко М.В., Галина С.Б. Task Allocation Methodology in Collaborative Robotic Systems IEEE, P. 1004-1009 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272788

4. Галина С.Б., Галин Р.Р. Approach to Efficient Task Allocation and Cost Minimization in Collaborative Robotic Systems IEEE, P. 574-579 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110790

5. Мамченко М.В. Программное обеспечение для минимизации времени выполнения работ участниками коллаборативной робототехнической системы Юго-Западный государственный университет, Программная инженерия: современные тенденции развития и применения (ПИ-2023): Сборник материалов VII-й Всероссийской научно-практической конференции (16 октября 2023 года), Юго-Зап. гос. ун-т., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2023, - 251 с. (год публикации - 2023)

6. - Железной рукой. Как управиться с роботом Poisknews.ru: Научно-информационный портал «Поиск», Железной рукой. Как управиться с роботом [Электронный ресурс] // Poisknews.ru: Научно-информационный портал «Поиск». URL: http://poisknews.ru/themes/tehno/zheleznoj-rukoj-kak-upravitsya-s-robotom/ (дата обращения: 08.12.2023) (год публикации - )