Разработка и исследование цифровых объектов робототехнических симуляторов, включая динамические модели человека

Номер государственного контракта по гранту: №24-29-00564

Руководитель проекта: Магид Евгений Аркадьевич

О проекте

Робототехнические системы (РТС) являются не только дорогостоящими объектами, которые взаимодействуют с людьми и окружающей средой, но и объектами, которые при неправильных действиях становятся опасными для своего окружения. Поэтому прежде, чем новые робототехнические протоколы взаимодействия и алгоритмы могут быть интегрированы в реальную РТС, они проходят тщательную проверку путем испытаний сначала в лабораторных условиях, а затем, по мере возможности, в реальной целевой среде. При проведении робототехнических тестов, помимо тестирования в реальной окружающей среде, активно используется виртуальное тестирование в симуляторах. В настоящее время виртуальное тестирование новых подходов в симуляторах стало неотъемлемой частью процесса создания новых технологий в области РТС, которое применяется на начальных этапах разработки и экономит огромное количество человеко-часов и финансовых затрат при создании первых прототипов программного и аппаратного обеспечения РТС.

Подавляющее большинство цифровых моделей реальных РТС создаются производителями этих РТС или ассоциированными с ними научными группами в вузах и научных организациях. Однако, при тестировании робототехнических проектов, особенно в области взаимодействия робота и человека, в симуляторе важно иметь не только качественные цифровые модели самих РТС, но и цифровые объекты окружающей среды и цифровые модели людей, выполняющих различные действия в данной среде. К сожалению, на сегодняшний день в виртуальных средах популярных симуляторов для РТС присутствует достаточно ограниченный по количеству и качеству объем цифровых объектов окружающей среды. И если для примитивных нефункциональных цифровых объектов (например, геометрические 3D фигуры или стационарная мебель), для которых достаточно простой программной реализации цифровой модели, количество и качество таких моделей в наиболее популярных симуляторах (например, Gazebo или Webots) является удовлетворительным, то более сложные модели для функциональных цифровых объектов или полностью отсутствуют, и пользователь должен каждый раз создавать их самостоятельно для своего конкретного проекта (например, функциональный цифровой объект «открывающиеся двери»), или он должен довольствоваться примитивными низкокачественными моделями (например, стандартная модель человека в Gazebo).

Проект направлен на качественные улучшения в сфере моделирования и виртуальной валидации прототипов РТС, которые позволят более реалистично и эффективно моделировать протоколы взаимодействия и алгоритмы для РТС в виртуальной среде популярных робототехнических симуляторов с открытым исходным кодом (open-source). В рамках заявляемого проекта будут оценены имеющиеся в наиболее популярных симуляторах цифровые объекты окружающей среды, включая модели человека. Будут определены наиболее остро необходимые для типовых виртуальных экспериментов сложные цифровые объекты и оценены возможности их создания в популярных симуляторах. Проект акцентирует внимание на исследовании двух типов цифровых объектов: примитивные функциональные цифровые объекты и типовые динамические функциональные цифровые объекты. Научная новизна заключается в: разработке конкретных требований к моделям предложенных цифровых объектов и их функционалу, которые обеспечат их реалистичность и эффективность; разработке критериев оценки качества модели; разработке методики экспериментов для оценки качества модели; моделировании цифровых объектов в соответствии с предложенными требованиями. Большое практическое значение имеют разрабатываемые в рамках проекта библиотеки цифровых объектов и графические интерфейсы пользователя, которые помогут пользователю создавать собственные новые объекты на базе создаваемых командой КФУ объектов, а также настраивать готовые объекты созданных библиотек.

В ходе реализации первого года проекта произведены следующие работы:

1) Выполнен обзор литературы по заявленной тематике, направленный на анализ и систематизацию знаний о цифровых объектах, робототехнических симуляторах и цифровых моделях человека. 

2) Выполнен анализ популярных робототехнических симуляторов, используемых для математического и физического моделирования роботов. Особое внимание уделено типовым цифровым объектам, применяемым в виртуальных средах. Изучены возможности и ограничения существующих симуляторов в контексте предоставления готовых цифровых объектов для моделирования.

3) Проведён анализ функциональных возможностей популярных робототехнических симуляторов. На основе характеристик симуляторов и соответствия требованиям к цифровым моделям человека и роботов были выбраны два наиболее перспективных робототехнических симулятора: Gazebo и Webots.

4) Для выполнения задач Проекта были выбраны два ключевых типа сложных цифровых объектов: цифровая модель человека и модель всенаправленного мобильного робота ArtBul (разработан ранее при участии команды Проекта) (Рис. 1).

Рис. 1. Цифровая модель мобильного робота «ArtBul», разработанная при участии членов команды Проекта.

5) Проведена апробация и анализ существующих цифровых моделей человека, используемых в робототехнических симуляторах, выявлены их достоинства и недостатки, проведена оценка их способности моделировать физические, когнитивные и визуальные параметры.

6) Разработаны функциональные требования, ориентированные на обеспечение интеграции цифровых объектов с симуляторами, реалистичности движения цифровых объектов, взаимодействия с окружающей средой и управления. Также разработаны нефункциональные требования к цифровым объектам для робототехнических симуляторов.

7) Для структурированного подхода к анализу и разработке архитектуры цифровых моделей предложена классификация, которая включает в себя такие аспекты, как визуальная структура, функциональность, визуальная и коллизионная детализация, сфера применения, способы управления, степени интерактивности. Для оценки качества цифровых моделей человека в робототехнических симуляторах разработана методика тестирования, направленная на проверку характеристик моделей.

8) Разработана модульная архитектура цифровых объектов, которая обеспечивает гибкость применения разрабатываемых цифровых моделей и упрощает интеграцию дополнительных компонентов.

9) Разработаны сложные цифровые модели человека для Gazebo и Webots. Создано 20 пилотных моделей, по 10 для каждого из двух симуляторов (примеры приведены на рис. 2-3).

Рис. 2. Первые пилотные версии цифровых объектов в Gazebo, созданные в рамках Проекта. 

Рис. 3. Пилотные версии цифровых объектов в Webots.

10) Для проведения экспериментов были созданы и адаптированы 5 виртуальных миров. Для оценки моделей разработано 13 сценариев тестирования, направленных на проверку функциональности, оптимизацию и соответствие требованиям симуляторов.

11) По полученным в первый год промежуточным результатам опубликовано и уже проиндексировано 4 публикации в изданиях, индексируемых в БД «Scopus» или «Web of Science».

Публикации

[1] Sulaiman S., Pillai A., Eryomin A., Tsoy T., Magid E. Kinematic Modelling, Workspace Analysis and Static Structural Analysis of a 3 DoF Manipulator for an Elevator Automation // The 4th International Conference on Computer, Control and Robotics (ICCCR 2024). – 2024. – pp. 300-304.

[2] Sulaiman S., Eryomin A., Tsoy T., Magid E. Methodology of Design and Modelling Projects for Robotics and Mechatronics Course of Intelligent Robotics Master Program // 2024 IEEE 7th Eurasian Conference on Educational Innovation (IEEE ECEI 2024). – 2024. – pp. 410-413.

[3] Abbyasov B., Zagirov A., Gamberov T., Li H., Magid E. Vision-based autonomous navigation for medical examination using a UR3e manipulator // International Conference on Artificial Life and Robotics (ICAROB 2024). – 2024. – Vol.29. – pp. 308-311.

[4] Celiker B., Sulaiman S., Tsoy T. A Design of a Modular Mobile Robot for Rescue Operations // International Conference on Artificial Life and Robotics (ICAROB 2024). – 2024. – Vol. 29. – pp. 267-271.