ВКР ТУСУР: Разработка программы для решения задач кинематики для робототехнического манипулятора

ВКР ТУСУР: Разработка программы для решения задач кинематики для робототехнического манипулятора

Бесплатная консультация по вашей теме: Telegram: @Diplomit Телефон/WhatsApp/MAX: +7 (987) 915-99-32, Email: admin@diplom-it.ru

Актуальность темы

Робототехнический манипулятор — это не просто механическая рука. Это сложная система, где каждое движение зависит от математики. Чтобы робот взял деталь, он должен знать: какие углы поворота его суставов позволят ему достичь нужной точки в пространстве? Это задача прямой и обратной кинематики. И если вы ошибетесь в расчете, робот ударится о стену, уронит деталь или просто не сдвинется с места.

Студенты ТУСУР, изучающие робототехнику, часто сталкиваются с проблемой: теория кинематики — это длинные формулы и сложные преобразования матриц. Реализовать их вручную — это долго и трудоемко. Использовать готовые библиотеки — это неинтересно и не дает понимания. А когда нужно смоделировать работу манипулятора, протестировать алгоритм или создать интерфейс для управления — это вообще кажется непосильной задачей.

Ваша дипломная работа — это создание полнофункциональной программы, которая решает задачи прямой и обратной кинематики для произвольного робототехнического манипулятора. Вы не просто напишете код. Вы создадите интерактивный инструмент: пользователь задаст параметры манипулятора (число звеньев, длины, типы соединений), и программа сразу покажет, как он двигается. Он сможет ввести координаты конечного звена — и программа рассчитает, на какие углы нужно повернуть сервоприводы. Это не теория. Это инструмент, который поможет вам и другим студентам понять кинематику на практике.

Вы создадите продукт, который можно внедрить в лабораторию робототехники ТУСУР и использовать в курсах по робототехнике, автоматизации и программированию — и сделаете это на базе знаний, полученных в ТУСУР. Это не просто диплом — это ваш вклад в обучение будущих инженеров.

Возникли трудности с реализацией обратной кинематики или построением графического интерфейса? Наши эксперты по защите информации помогут! Звоните или пишите: Telegram: @Diplomit
+7 (987) 915-99-32 (WhatsApp/MAX), admin@diplom-it.ru.

Если вы еще не определились с типом манипулятора, ознакомьтесь с полным руководством по написанию ВКР ТУСУР Информационные системы и технологии Полное руководство по написанию ВКР ТУСУР Информационные системы и технологии.

Цель и задачи

Цель исследования: Разработать программное обеспечение для решения задач прямой и обратной кинематики для робототехнического манипулятора, обеспечивающее точное моделирование движения, визуализацию и интерактивное управление.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать типы робототехнических манипуляторов: SCARA, 6-DOF, пантограф, 4-DOF
• Изучить математические основы кинематики: прямая и обратная кинематика, матрицы Денавита-Хартенберга, тригонометрические преобразования
• Выбрать конкретный тип манипулятора для реализации (например, 4-звенный манипулятор с вращательными соединениями)
• Разработать алгоритм прямой кинематики: расчет положения конечного звена по заданным углам суставов
• Разработать алгоритм обратной кинематики: расчет углов суставов по заданной позиции конечного звена (метод Джакобиана, численные методы)
• Выбрать технологический стек: Python + NumPy + Matplotlib + PyQt5 / JavaScript + Three.js
• Реализовать модуль визуализации: 3D-модель манипулятора, отображение траектории движения
• Создать интерактивный пользовательский интерфейс: ввод параметров, запуск расчетов, визуализация результата
• Реализовать модуль импорта/экспорта параметров манипулятора
• Провести тестирование программы на различных сценариях движения

Объект и предмет исследования

Объект исследования: Процессы движения и управления робототехническими манипуляторами на основе кинематических моделей.

Предмет исследования: Методы и технологии разработки программного обеспечения для решения задач прямой и обратной кинематики робототехнических манипуляторов.

Фокус работы — на превращении абстрактной математики в наглядный инструмент. Как сделать так, чтобы студент, который только начал изучать матрицы Денавита-Хартенберга, смог не просто прочитать формулу, а увидеть, как изменение одного угла влияет на всю систему? Это не программирование — это педагогическая инженерия. Именно здесь ваша работа становится научно значимой и имеет высокую образовательную ценность.

Примерный план (Содержание) работы

Глава 1. Теоретические основы кинематики робототехнических манипуляторов

• 1.1. Основные понятия робототехники: звенья, суставы, координатные системы, степень свободы
• 1.2. Прямая кинематика: принципы и математические методы (матрицы поворота, преобразования координат)
• 1.3. Обратная кинематика: проблемы и методы решения (аналитические, численные, итерационные)
• 1.4. Метод Денавита-Хартенберга: параметры, матрицы преобразования, алгоритм построения
• 1.5. Анализ существующих программных решений: преимущества и недостатки

Глава 2. Проектирование и разработка программного обеспечения

• 2.1. Формирование требований к программному комплексу: функциональные и нефункциональные (точность, скорость, удобство)
• 2.2. Выбор технологического стека: Python + NumPy + Matplotlib + PyQt5 (или JavaScript + Three.js)
• 2.3. Проектирование архитектуры: модули кинематики, визуализации, интерфейса, хранения данных
• 2.4. Реализация модуля прямой кинематики: расчет положения конечного звена по углам суставов
• 2.5. Реализация модуля обратной кинематики: реализация итерационного метода Джакобиана
• 2.6. Создание модуля визуализации: 3D-модель манипулятора, анимация движения, отображение траектории
• 2.7. Разработка пользовательского интерфейса: формы ввода параметров, кнопки управления, вывод результатов
• 2.8. Реализация модуля импорта/экспорта параметров манипулятора (JSON/XML)
• 2.9. Интеграция всех модулей в единый программный комплекс

Глава 3. Тестирование и оценка эффективности

• 3.1. Методика тестирования: сравнение результатов с аналитическими расчетами, проверка на граничных условиях
• 3.2. Оценка точности вычислений: погрешность положения конечного звена
• 3.3. Анализ производительности: время расчета обратной кинематики
• 3.4. Оценка удобства использования (SUS-шкала, NPS)
• 3.5. Рекомендации по внедрению в учебный процесс ТУСУР

Возникли трудности с реализацией обратной кинематики или дизайном интерфейса? Наши эксперты по защите информации помогут! Звоните или пишите: Telegram: @Diplomit
+7 (987) 915-99-32 (WhatsApp/MAX), admin@diplom-it.ru.

Ожидаемые результаты и практическая значимость

Результатом работы станет полнофункциональная программа с открытым исходным кодом, включающая:

• Модуль прямой кинематики для расчета положения конечного звена по углам суставов
• Модуль обратной кинематики на основе итерационного метода Джакобиана
• 3D-визуализатор манипулятора с возможностью анимации движения
• Интерактивный графический интерфейс для ввода параметров и управления
• Система импорта/экспорта параметров манипулятора в формате JSON
• Отчет о тестировании с данными по точности, скорости и удобству использования

Практическая значимость — огромна. Программа может быть внедрена в лабораторию робототехники ТУСУР и использована на всех курсах по робототехнике, автоматизации и программированию. Она станет незаменимым инструментом для студентов, позволяющим визуально понять сложные концепции кинематики. Вы создадите продукт, который сделает обучение робототехнике доступным и наглядным — и сделаете это на базе знаний, полученных в ТУСУР. Это не просто диплом — это ваш вклад в будущее инженерного образования.

Пример введения ВКР ТУСУР

Робототехника представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся областей современной инженерии, играя ключевую роль в автоматизации промышленности, медицины и бытовой сферы. Центральным элементом любого робототехнического манипулятора является его система управления, основой которой является кинематическая модель. Решение задач прямой и обратной кинематики является фундаментальным этапом в проектировании, моделировании и управлении роботами. Однако, несмотря на свою важность, эти задачи остаются одними из самых сложных для понимания студентами, поскольку требуют глубокого владения многомерной геометрией, матричным исчислением и навыками программирования. Традиционные методы обучения, основанные на теоретических лекциях и ручных расчетах, часто не позволяют студентам получить интуитивное понимание связи между углами суставов и положением конечного звена, что приводит к поверхностному усвоению материала и трудностям при практическом применении.

Целью настоящей магистерской диссертации является разработка программного обеспечения для решения задач прямой и обратной кинематики для робототехнического манипулятора, обеспечивающее точное моделирование движения, визуализацию и интерактивное управление. Объектом исследования являются процессы движения и управления робототехническими манипуляторами на основе кинематических моделей, предметом — методы и технологии разработки программного обеспечения для решения задач прямой и обратной кинематики. Для достижения цели используются методы анализа кинематических моделей, проектирования программных систем, реализации алгоритмов математического моделирования и методы оценки удобства использования. Научная новизна заключается в создании уникального интерактивного программного комплекса, который объединяет точные математические алгоритмы с мощной 3D-визуализацией и удобным пользовательским интерфейсом, позволяя студентам не только вычислять, но и визуально наблюдать и экспериментировать с кинематическими моделями в реальном времени. Практическая значимость работы состоит в предоставлении готового, легко внедряемого инструмента, который может быть использован в учебном процессе ТУСУР для повышения качества обучения и формирования глубокого понимания основ робототехники.

Заключение ВКР ТУСУР Информационные системы и технологии

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была разработана и протестирована программа для решения задач кинематики робототехнического манипулятора. Программа успешно реализовала алгоритмы прямой и обратной кинематики для 4-звенного манипулятора с вращательными соединениями. Точность расчета положения конечного звена составила 0.05 мм, а среднее время расчета обратной кинематики — 120 мс, что приемлемо для учебных целей. Визуализация в 3D-пространстве позволила пользователям легко отслеживать траекторию движения и понимать влияние каждого параметра. Удобство использования оценивалось по SUS-шкале на уровне 86.

Разработанное программное обеспечение полностью соответствует требованиям методички ТУСУР и демонстрирует высокий уровень профессионализма в области алгоритмов, математического моделирования и разработки пользовательских интерфейсов. Полученные данные подтверждают, что визуализация и интерактивность — это не дополнение, а необходимость для эффективного обучения сложным инженерным дисциплинам. Работа может служить основой для дальнейших исследований, включая добавление поддержки других типов манипуляторов (SCARA, Delta), интеграцию с симуляторами ROS и создание мобильной версии.

Требования к списку источников

Список литературы должен соответствовать ГОСТ 7.1-2003 и включать не менее 40 источников, из которых минимум 25% (10+) должны быть опубликованы за последние 2 года (2023–2025 гг.). Источники следует разделить на категории: учебники по робототехнике, научные статьи по кинематике, технические руководства по библиотекам, исследования по визуализации.

Примеры корректного оформления:

• Siciliano, B., Khatib, O. Springer Handbook of Robotics. — 2nd ed. — Springer, 2023. — 1780 p.
• Craig, J.J. Introduction to Robotics: Mechanics and Control. — 4th ed. — Pearson, 2024. — 528 p.
• Кузнецов, А.В. Применение методов кинематики в робототехнических системах // Вестник ТУСУР. — 2024. — № 1(54). — С. 67–75.
• NumPy Documentation. — URL: https://numpy.org/doc/ (дата обращения: 15.05.2025)
• Matplotlib Documentation. — URL: https://matplotlib.org/stable/contents.html (дата обращения: 15.05.2025)
• PyQt5 Documentation. — URL: https://www.riverbankcomputing.com/static/Docs/PyQt5/ (дата обращения: 15.05.2025)

Обязательно включайте классические учебники по робототехнике (Siciliano, Craig), статьи по методам кинематики, техническую документацию по NumPy, Matplotlib и PyQt5. Все ссылки должны быть упомянуты в тексте работы.

Полезные материалы для написания магистерской диссертации

• Все готовые работы Информационные системы и технологии — образцы структур, кода и анализа
• Методические рекомендации по написанию ВКР ТУСУР по направлению 09.03.01
• Курс "Robotics: Perception" на Coursera (University of Pennsylvania)
• Руководство по созданию 3D-визуализаций с помощью Matplotlib и PyQt5