Mathematical model of adaptive hierarchical high-level control of a three-link collaborative robot-manipulator
Saved in:
| Title: | Mathematical model of adaptive hierarchical high-level control of a three-link collaborative robot-manipulator |
|---|---|
| Source: | INNOVATIVE TECHNOLOGIES AND SCIENTIFIC SOLUTIONS FOR INDUSTRIES; No. 2(32) (2025): Innovative Technologies and Scientific Solutions for Industries; 58-68 Современное состояние научных исследований и технологий в промышленности; № 2(32) (2025): Сучасний стан наукових досліджень та технологій в промисловості; 58-68 СУЧАСНИЙ СТАН НАУКОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ТЕХНОЛОГІЙ В ПРОМИСЛОВОСТІ; № 2(32) (2025): Сучасний стан наукових досліджень та технологій в промисловості; 58-68 |
| Publisher Information: | Kharkiv National University of Radio Electronics, 2025. |
| Publication Year: | 2025 |
| Subject Terms: | Industry 5.0, collaborative robot, mathematical model, hierarchical control, fuzzy logic, adaptive control, manipulator, PyCharm, Python, Fuzzy Logic, Індустрія 5.0, колаборативний робот, математична модель, ієрархічне управління, нечітка логіка, адаптивне керування, маніпулятор |
| Description: | In the context of the development of the Industry 5.0 concept, which envisages close interaction between humans and intelligent automated systems, research into mechanisms for flexible and safe control of collaborative robot manipulators is becoming particularly important. The objective of this study is to construct a mathematical model of hierarchical high-level control for a three-link collaborative robot that allows the manipulator's behavior to be adapted to dynamic changes in the production environment and the presence of humans in the work area. The purpose of this article is to develop a mathematical model that combines the classical approach to modeling dynamics with the following methods: using Euler-Lagrange equations and modern adaptive control algorithms implemented through fuzzy logic, which allows optimizing the speed and trajectory of the executive bodies under variable load and partial uncertainty of the environment. The proposed model implements a multi-level control architecture that takes into account not only the physical parameters of the manipulator, but also the cognitive aspects of interaction with the operator and the environment by constructing a Fuzzy-Rule-based controller. The article presents the formalization of mathematical expressions, describes all levels of the control system, their purpose and interconnection, and performs numerical modeling using Python and PyCharm. The results of the modeling confirmed the effectiveness of the proposed system in the presence of humans, ensuring a safe distance, adaptation to the load, and compliance with the specified production parameters. Conclusions indicate that the proposed model can significantly improve the quality of manipulator control in Industry 5.0 conditions, especially when working in hybrid environments. The developed model can be adapted to different types of collaborative robots, which opens up prospects for its further improvement, in particular through integration with neural network approaches, deep learning, and multi-agent systems within the framework of distributed intelligent manufacturing. У контексті розвитку концепції Індустрія 5.0, яка передбачає тісну взаємодію між людиною та інтелектуальними автоматизованими системами, особливого значення набуває дослідження механізмів гнучкого й безпечного управління колаборативними роботами-маніпуляторами. Дослідження спрямовано на побудову математичної моделі ієрархічного високорівневого керування для триланкового колаборативного робота, що дає змогу адаптувати поведінку маніпулятора до динамічних змін у виробничому середовищі та наявності людини в робочій зоні. Мета статті – розроблення математичної моделі, що поєднує класичний підхід моделювання динаміки з такими методами: рівняння Ейлера–Лагранжа та сучасні адаптивні алгоритми регулювання, реалізовані за допомогою нечіткої логіки, що дає змогу оптимізувати швидкість і траєкторію руху виконавчих органів в умовах змінного навантаження та часткової невизначеності середовища. Запропонована модель реалізує багаторівневу архітектуру управління, що бере до уваги не лише фізичні параметри маніпулятора, а й когнітивні аспекти взаємодії з оператором та оточенням, шляхом побудови контролера на базі Fuzzy Rule. У статті запропоновано формалізацію математичних виразів, описано всі рівні системи керування, їх призначення та взаємозв’язок, а також проведено чисельне моделювання за допомогою Python і PyCharm. Результати моделювання підтвердили ефективність запропонованої системи в умовах присутності людини, забезпечення безпечної відстані, адаптацію до навантаження та відповідність до заданих виробничих параметрів. Висновки. Запропонована модель здатна суттєво покращити якість управління маніпулятором в умовах Індустрії 5.0, особливо під час роботи в гібридних середовищах. Модель можна адаптувати до різних типів колаборативних роботів, що відкриває перспективи для її подальшого вдосконалення, зокрема завдяки інтеграції з нейромережевими підходами, глибоким навчанням та мультиагентними системами в межах розподіленого інтелектуального виробництва. |
| Document Type: | Article |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | Ukrainian |
| ISSN: | 2522-9818 2524-2296 |
| Access URL: | https://journals.uran.ua/itssi/article/view/334624 |
| Rights: | CC BY NC SA |
| Accession Number: | edsair.scientific.p..b71f6ef80c6b22f5370175db2ccbf544 |
| Database: | OpenAIRE |
Nájsť tento článok vo Web of Science | Abstract: | In the context of the development of the Industry 5.0 concept, which envisages close interaction between humans and intelligent automated systems, research into mechanisms for flexible and safe control of collaborative robot manipulators is becoming particularly important. The objective of this study is to construct a mathematical model of hierarchical high-level control for a three-link collaborative robot that allows the manipulator's behavior to be adapted to dynamic changes in the production environment and the presence of humans in the work area. The purpose of this article is to develop a mathematical model that combines the classical approach to modeling dynamics with the following methods: using Euler-Lagrange equations and modern adaptive control algorithms implemented through fuzzy logic, which allows optimizing the speed and trajectory of the executive bodies under variable load and partial uncertainty of the environment. The proposed model implements a multi-level control architecture that takes into account not only the physical parameters of the manipulator, but also the cognitive aspects of interaction with the operator and the environment by constructing a Fuzzy-Rule-based controller. The article presents the formalization of mathematical expressions, describes all levels of the control system, their purpose and interconnection, and performs numerical modeling using Python and PyCharm. The results of the modeling confirmed the effectiveness of the proposed system in the presence of humans, ensuring a safe distance, adaptation to the load, and compliance with the specified production parameters. Conclusions indicate that the proposed model can significantly improve the quality of manipulator control in Industry 5.0 conditions, especially when working in hybrid environments. The developed model can be adapted to different types of collaborative robots, which opens up prospects for its further improvement, in particular through integration with neural network approaches, deep learning, and multi-agent systems within the framework of distributed intelligent manufacturing.<br />У контексті розвитку концепції Індустрія 5.0, яка передбачає тісну взаємодію між людиною та інтелектуальними автоматизованими системами, особливого значення набуває дослідження механізмів гнучкого й безпечного управління колаборативними роботами-маніпуляторами. Дослідження спрямовано на побудову математичної моделі ієрархічного високорівневого керування для триланкового колаборативного робота, що дає змогу адаптувати поведінку маніпулятора до динамічних змін у виробничому середовищі та наявності людини в робочій зоні. Мета статті – розроблення математичної моделі, що поєднує класичний підхід моделювання динаміки з такими методами: рівняння Ейлера–Лагранжа та сучасні адаптивні алгоритми регулювання, реалізовані за допомогою нечіткої логіки, що дає змогу оптимізувати швидкість і траєкторію руху виконавчих органів в умовах змінного навантаження та часткової невизначеності середовища. Запропонована модель реалізує багаторівневу архітектуру управління, що бере до уваги не лише фізичні параметри маніпулятора, а й когнітивні аспекти взаємодії з оператором та оточенням, шляхом побудови контролера на базі Fuzzy Rule. У статті запропоновано формалізацію математичних виразів, описано всі рівні системи керування, їх призначення та взаємозв’язок, а також проведено чисельне моделювання за допомогою Python і PyCharm. Результати моделювання підтвердили ефективність запропонованої системи в умовах присутності людини, забезпечення безпечної відстані, адаптацію до навантаження та відповідність до заданих виробничих параметрів. Висновки. Запропонована модель здатна суттєво покращити якість управління маніпулятором в умовах Індустрії 5.0, особливо під час роботи в гібридних середовищах. Модель можна адаптувати до різних типів колаборативних роботів, що відкриває перспективи для її подальшого вдосконалення, зокрема завдяки інтеграції з нейромережевими підходами, глибоким навчанням та мультиагентними системами в межах розподіленого інтелектуального виробництва. |
|---|---|
| ISSN: | 25229818 25242296 |