Введение к работе
Актуальность работы. Во многих областях современной науки и техники существуют виды работ,, требующие выполнения сложных ма-нипуляционных операций в условиях, опасных для жизни и здоровья человека. К таким областям относятся прежде всего работы в зонах с наличием радиоактивного излучения, работы с взрывчатыми и отравляющими веществами, подводно-технические работы и т.д. Основным техническим средством выполнения работ в этом случае являются манипуляторы.
Недетерминированность условий рабочей зоны при выполнении такій работ делает нецелесообразным, а часто просто невозможным, использование манипуляционных роботов, действующих автоматически. Единственно возможным в настоящее время способом обеспечения функционирования манипуляторов в зонах, недоступных или опастнык для человека, является дистанционное управление.
Наибольшего распространения для дистанционного выполнения работ и технологических операций в экстремальных средах (особенно в атомной промышленности, в атомной энергетике, при проведении глубоководных исследований) получили копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором.
Эффективность использования копирующих манипуляторов во мно-многом зависит от динамических возможностей их исполнительных органов. В отличии от промышленных роботов решение задач стратегического и тактического уровней управления этими манипуляторами выполняет оператор. Следовательно, обеспечить повышение динамических возможностей и показателей качества работы копирующих манипуляторов можно в основном за счет улучшения свойств систем исполнительного уровня управления.
В большинстве случаев в качестве систем исполнительного уровня управления копирующими манипуляторами используют системы двустороннего действия (системы ДСД). Эти системы не только обеспечивают отслеживание исполнительным органом всех движений руки оператора, но при этом в некотором масштабе воспроизводят на задающем органе усилия, с которыми манипулятор воздействует на объект работ. Такое моментное очувствление делает работу оператора более естественной и эффективной.
Актуальность повышения качества работы систем ДСД копирующих манипуляторов определяется важностью и ответственностью работ, выполняемых в различных областях науки и техники с помощью копи-
рующих манипуляторов. От качества работы систем ДСД зависит не только точность выполнения технологических операций и удобство управления манипулятором, но и производительность выполнения работ, малая утомляемость оператора, а часто и вообще безопасность ведения работ. Таким образом, именно высокое качество систем ДСД в значительной степени определяет эффективность и безопасность выполнения работ в экстремальрых средах.
Манипулятор, как объект управления, оказывает существенное влияние на качество работы систем ДСД. Это влияние зависит от масс, взаимного расположения, скоростей и ускорений движения звеньев манипулятора, а также от массы объекта манипулирования. В результате, при движении манипулятора (а также при изменении массы груза) параметры систем ДСД существенно изменяются, а следовательно, изменяются и динамические свойства етих систем, и показатели качества их работы. Таким образом, существует проблема стабилизации динамических свойств и высоких показателей качества работы систем ДСД в условиях значительного и достаточно быстрого изменения их параметров.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка -методов синтеза -систем ДСД копирующих манипуляторов с активным отражением усилия, которые обеспечивали бы. высокие качественные показатели работы, (статическую и динамическую точность управления) независимо от вида траектории движения копирующего манипулятора, массы и скорости перемещения объекта манипулирования в условиях, когда динамическое взаимовлияние между степенями подвижности является значительным.
Методы исследования. При решении возникших задач использованы методы теории автоматического управления, методы теории оптимального управления, методы теоретической механики сложных пространственных механизмов, методы дифференциального и интегрального исчислений, а также методы математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Предложен новый подход к математическому описанию систем ДСД в режиме вынужденного движения вала оператора по заданному закону. Новый подход позволил значительно понизить порядок сиете-тем дифференциальных уравнений, описывающих системы ДСД, и в ре-результате существенно упростить процесс получения функциональных зависимостей параметров регулятора от переменных параметров на-
грузки. Кроме того этот подход (в отличии от ранее использовавшихся) позволил сформировать такую математическую модель системы ДСД, которая остается неизменной при любом законе движения вала оператора.
-
Предложен новый метод задания желаемых значений фазовых координат при синтезе систем ДСД по квадратичному критерию качества, позволивший значительно повысить динамическую точность работы синтезированных систем.
-
Разработана система ДСД, обладающая высокими качественными показателями работы в широком диапазоне изменения приведенного момента инерции нагрузки.
4- Разработана автоматизированная систеыа статической разгрузки исполнительных систем копирующих манипуляторов, позволяющая уменьшить їтомляемость оператора при выполнении работ с тяжелыми грузами и расширить функциональные .возможности копирующих манипуляторов.
5- Разработана система ДСД, обладающая стабильно высокими
показателями качества работы в условиях сильного динамического
взаимовлияния мевду степенями подвижности копирующего
манипулятора. ,.-_ -'
б. Предложен подход, позволяющий синтезировать системы исполнительного уровня управления .манипуляторами, которые обеспечивают возможность функционирования манипуляторов как в режиме дистанционного управления с отражением усилия или без отражения, так и в режиме автоматического управления.
Практическая ценность и реализация результатов диссертации. Практическая ценность работы заключается в создании методики синтеза систем ДСД копирующих манипуляторов с активным отражением усилия, которые позволяют качественно и производительно выполнять сложные и ответственные операции в экстремальных и недоступных для человека средах (условиях).
Проведенные исследования выполнялись в рамках комплексного проекта "МИР" Минвуза СССР на 1978-1980г. (задание N 01.04); комплексной программы "Роботы" Минвуза РСФСР на 1980-1985г.; целевой программы Минвуза СССР на 1978-1990г. по комплексной проблеме "Роботы и робототошические системы" (приказ N 136 от 2.2.79)-
Полученные результати использованы при выполнении хоздоговорных и госбютжетных научно-исследовательских работ "Разработка и исследование адаптивной системы управления специальным манипу-
ляционным роботом на основе информации о фазовых координатах ис
полнительных приводов" (N ГР 01840081428), "Разработка самона
страивающихся систем управления промышленными роботами и манипу
ляторами для екстремальних сред (Ш ГР 01890002912), "Разработка и
исследование систем промышленной автоматики, робототехники" (N ГР
01860089580), "Разработка высококачественных систем управления и
кинематических схем подводных аппаратов и манипуляторов" (N ГР
01910037194), в КБ "Индикатор" при разработке устройства стати
ческой "разгрузки, а также в учебном процессе на кафедре М-7 МТТУ
им. Н.Э. Баумана и на кафедре АУТС Дальневосточного государ
ственного технического университета. ..-- ,^-/,-.
'' Апробация работы. Основные научные результаты и выводы, по-* лученные в диссертационной работе, докладывались'в обсуждались на
" II Всесоюзной межвузовской конференции "Робототехническив системы"-(Киев, 1980), II Всесоюзном совещании по робототехническим системам (иинск, 1981), на ІП Всесоюзном совещании по" робототехническим системам (Воронеж, 1984)-, на Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых "Разработка и моделирование в
" технических и социально-экономических проблемах освоения океана" (Владивосток, 1985), на X Всесоюзном совещании-семинаре "Управление иерархическими активными системами" (Тбилиси, 1986), на Всесоюзной научно-технической конференции "Агрегатно-ыодульное построение техники" (Иркутск, 1987).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 131 наименования и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на 143 машинописных страницах. Диссертация также ' содержит 26 страниц иллюстраций, 15 страниц списка использованых источников ИЗ страницы приложений.