Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методология проектирования мобильных робототехнических комплексов для экстремальных условий
1.1 Мобильные робототехнические комплексы,
функционирующие в экстремальных средах
1.1.1 Миниатюрные мобильные дистанционно-управляемые технические средства
1.1.2 Легкие мобильные ДУ средства
1.1.3 Мобильные ДУ средства среднего веса
1.1.4 Тяжелые мобильные ДУ средства
1.2 Состав мобильного робототехнического комплекса. Функциональное назначение подсистем и связи между ними
1.3 Декомпозиция как метод проектирования мобильного робототехнического комплекса
Выводы к главе 1
Глава 2 Математическое моделирование транспортной системы как этап проектирования РТК
2.1 Требования к транспортным системам мобильных робототехнических комплексов. Состав и функциональное назначение
2.2 Кинематическая модель базового подвижного модуля при движении по пересеченной местности
2.3 Исследование динамики систем управления
2.3.1 Динамика тягового двигателя
2.3.2 Динамика движения базового подвижного модуля
2.3.3 Моделирование уравнений движения БПМ
2.3.4 Исследование системы приведения балансира Выводы к главе 2
Глава 3 Математическое моделирование манипулятора как подсистемы мобильного робототехнического комплекса
3.1 Концепция проектирования манипуляционной системы
3.2 Кинематический анализ манипулятора
3.2.1 Задачи о положении 8 23
3.2.2 Задачи о скорости ИЗ
3.3 Динамический анализ манипулятора 12 6
3.3.1 Массо-геометрические характеристики манипулятора 12 6
3.3.2 Вычисление диагональных элементов матрицы
инерции и обобщенных сил 12 9
3.3.3 Вычисление коэффициентов уравнения динамики 132
3.3.4 Вычисление обобщенных сил, реализующих заданные программные движения звеньев исполнительного механизма 133
3.4 Статическое уравновешивание звеньев манипулятора 134
Выводы к главе 3 141
Глава 4 Управляющие и информационные подсистемы мобильного робототехнического комплекса 143
4.1 Система управления.Структура и выполняемые функции 14 3
4.1.1 Режимы управления РТК 14 4
4.1.2 Функциональная схема системы управления 14 6
4.1.3 Программное обеспечение системы управления 148
4.2 Управление манипулятором 14 9
4.2.1 Функциональное построение бортовой части системы управления 151
4.2.2 Управление на исполнительном уровне 154
4.2.2.1 Разработка математической модели объекта управления 154
4.2.2.2 Разработка регуляторов следящих систем 158
4.2.3 Копирующий режим работы манипулятора 172
4.2.4 Полуавтоматический и автоматический режимы управления манипулятором 17 6
4.2.5 Адаптивное управление манипулятором 180
4.2.6 Инструментальные средства разработки ПО
бортовой части системы управления манипулятора 188
4.3 Информационно-измерительные системы
мобильного робототехнического комплекса 18 9
4.3.1 Телевизионная система 190
4.3.2 Система передачи информации 192
Выводы к главе 4 194
Глава 5 Конструирование и экспериментальные исследования элементов и подсистем РТК
5.1 Конструирование базового подвижного модуля
5.2 Конструирование манипулятора
5.3 Конструирование задающего органа
5.4 Электродвигатели системы приводов манипулятора
5.4.1 Требования к электромеханическим узлам электроприводов
5.4.2 Обоснование конструкции электродвигателей приводов
5.4.3 Вентильные двигатели постоянного тока типа ДБ
5.5 Экспериментальные исследования мобильного робототехнического комплекса
5.5.1 Испытания гусеничного движителя БПМ
5.5.2 Испытания базового подвижного модуля
5.5.3 Испытания манипуляционной системы
5.5.4 Измерение погрешности статоров и роторов ПТ с использованием автоматизированной системы контроля
5.5.5 Радиационные испытания БСПИ
Выводы к главе 5
Заключение
Список литературы
- Тяжелые мобильные ДУ средства
- Кинематическая модель базового подвижного модуля при движении по пересеченной местности
- Вычисление обобщенных сил, реализующих заданные программные движения звеньев исполнительного механизма
- Требования к электромеханическим узлам электроприводов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных на-равлений автоматизации производственных процессов является ис-ользование роботов и манипуляторов различного назначения. Сущест-енный вклад в решение теоретических проблем робототехники внесен течественными научными коллективами МГТУ им.Н.Э.Баумана, ИПМ м.М.В.Келдыша РАН, Института машиноведения им.А.А.Благонравова АН, ИППИ РАН, ИПУ, МИРЭА, СПбПИ, СПбИИАН, Мосстанкин, ЮУрГУ и др. од руководством Е.П.Попова, Д.Е.Охоцимского, И.М.Макарова, .В.Фролова, С.В.Емельянова, В.М.Пономарева, Ю.М.Соломенцева, .П.Вяткина и др.
Чрезвычайно важной сферой применения роботов являются экстре-альные среды, т.е. среды, в которых нахождение человека невозмож-о или нецелесообразно (слабоорганизованная и недетерминированная реда с вредными факторами: температура, давление, радиоактив-ость, отравляющие вещества и т.д.), в том числе на объектах атом-ой энергетики, в шахтных условиях, но зараженной местности, при аботах в космическом пространстве и под водой.
Если в отдельных направлениях создания промышленных роботов .остигнуты достаточно высокие результаты - выпущен ряд монографий, чебников, спроектировано и внедрено большое количество роботов азличного назначения, то состояние в области разработки и иссле-;ования мобильных робототехнических комплексов (РТК) для экстре-іальньїх сред характеризуется значительно более низким уровнем изу-енности. Это связано, в первую очередь, со сложностью задачи, .ействительно, РТК является сложной системой в том смысле, что со-;ержит большое количество подсистем: транспортную и манипуляцион-ую системы, систему технического зрения, систему управления робо-ом и т.д. Все эти подсистемы взаимодействуют друг с другом как в іеханическом смысле, так и в информационном, при этом технические арактеристики подсистем существенно коррелированы друг с другом, омимо этого, необходимость функционирования в экстремальных сре-;ах ставит ряд повышенных требований не только к элементной базе, о и к функциональным возможностям системы, состоящим, в частно-:ти, в способности мобильного РТК выполнять различные технологиче-
ские операции в недетерминированной среде в полуавтоматическом, иногда и в автоматическом режимах.
Работы, проведенные в ГосИФТП, МГУ, МГТУ, ЦНИИРТК, НИКИМ ВНИИТрансМаш, МИФИ, НПОэ и ряде других предприятий и организаи позволили практически реализовать и испытать отдельные образцы I и входящих в его состав подсистем, узлов и блоков. Вместе С 1 отсутствие единой концепции, четкой координации работ, методолог проектирования и организации производства не позволяют приступи к серийному выпуску аппаратов с необходимыми характеристиками оснащению ими созданных аварийно-технических центров. В связи потенциальной опасностью действующих и строящихся объектов атомн энергетики данная задача представляется весьма важной и актуал ной.
Цель работы заключается в разработке унифицированных тран портных и манипуляционных систем (МС) мобильных роботов, оснаще ных системами управления, для выполнения разведывательных и р монтно-восстановительных работ в экстремальных средах (в части сти, внутри инженерно-технических сооружений АЭС), развитии теор тических методов проектирования, разработке эффективных алгоритм и синтезе систем управления, экспериментальных исследованиях о дельных элементов, подсистем и РТК в целом.
Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполаг ет решение следующих задач:
-
Анализ общих и специальных требований как к системе в цело так и к входящим в ее состав подсистемам, определение методолог проектирования.
-
Разработка методов проектирования базового подвижного моду (БПМ), основанных на предъявляемых технических требованиях и вкл чающих разработку и исследование кинематических и динамических м делей движения модуля по заданному рельефу.
3. Разработка методов проектирования многозвенных манипулят
ров, устанавливаемых на подвижном модуле и имеющих с последним к:
нематические и информационно-управляющие связи и взаимодействия.
4 . Формирование структуры и определение функций, выполняем управляющими и информационно-измерительными подсистемами, включ средства внутреннего и внешнего очувствления транспортных и ман; пуляционных систем РТК.
5. Развитие методов конструирования и алгоритмов управления
ранспортными и манипуляционными системами РТК.
6. Проведение экспериментальных исследований и испытаний опыт-
эго образца мобильного робототехнического комплекса.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные иссле-ования базируются на использовании методов механики, теории правления, информатики, моделирования. Кроме того, для подтвер-дения полученных теоретических результатов и эффективности разра-отанных и используемых методов проектирования была проведена се-ия экспериментальных исследований реального мобильного робота, пособного функционировать в экстремальных средах.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы вклю-ает в себя следующие научные результаты:
-
Сформулированы методологические принципы, этапы и задачи роектирования мобильных робототехнических комплексов, предназна-енных для работы в экстремальных условиях. Проведена декомпозиция ТК на подсистемы, среди которых выделены основные объекты иссле-ования - транспортные и манипуляционные подсистемы.
-
Разработаны принципы построения и математические модели ба-ового подвижного модуля с изменяемой геометрией ходовой части, читываюшие его кинематические и динамические характеристики. Ки-ематические модели позволяют получить ряд параметров, используе-ых далее при проектировании многозвенных манипуляторов, а динами-еские модели используются для проектирования приводов гусеничных одулей и синтеза локальных систем управления.
3. Сформулированы методологические принципы проектирования мно-озвенных манипуляторов с шарнирами вращательного типа на лодвиж-ом основании. Для выбранной кинематической схемы МС указаны наи-олее эффективные алгоритмы и методы кинематического и динамиче-кого анализа, положенные в основу построения инструментальных редств проектирования в среде САПР. Расчеты, проведенные с ис-ользованием указанных инструментальных средств, позволяют сформу-ировать требования как к конструкции исполнительных механизмов, ак и к элементам системы приводов подвижных сочленений. Выполне-ие указанных требований обеспечивает, с одной стороны, реализацию ребуемого вектора проектируемых параметров, а с другой стороны -кономные в вычислительном смысле алгоритмы управления МС.
4. Разработан метод статического уравновешивания звеньев М
позволяющий упростить уравнения динамики многозвенных механизмо
снизить нагрузки на приводах и, следовательно, облегчить проце
проектирования приводов в части обеспечения требуемых динамическ
характеристик.
-
На основе предложенных методов статического и динамическо уравновешивания, позволяющих существенно упростить уравнения дин мики, разработаны алгоритмы синтеза адаптивных ПИД-регулятор приводов подвижных сочленений манипулятора.
-
Исследованы копирующий и полуавтоматический режимы управл ния движением МС. Для режима управления по скорости синтезирова регуляторы приводов и разработаны алгоритмы оптимизации уставо показаны преимущества комбинированного способа управления, обесп чивающего наиболее высокие показатели качества.
-
Разработаны принципы конструирования БПМ с изменяемой ге метрией ходовой части, обеспечивающие минимальные массо-габаритн характеристики и наличие встроенных в гусеничные движители авт номных систем управления в сочетании с достаточным тяговым усил ем, высокой линейной скоростью, маневренностью и проходимостью рельефам различного профиля.
-
Разработаны принципы конструирования многозвенных манипул торов на подвижном основании, позволяющие при выбранной кинемат ческой схеме и заданных условиях эксплуатации обеспечить высок удельную грузоподъемность, большой диапазон изменения углов в с членениях, высокую точность позиционирования и пониженные энерг затраты приводов в сочетании с широким диапазоном линейных и угл вых скоростей перемещения схвата.
Практическая значимость. Итогом диссертационной работы явл ются спроектированные и изготовленные транспортные и манипуляциоі ные системы, включенные в состав радиационно-стойкого мобильно: робототехнического комплекса, способного функционировать в зкстрі мальных условиях. Практическая значимость работы состоит в тої что полученные результаты могут быть использованы при создані класса мобильных робототехнических комплексов, а также их подсиі тем и отдельных элементов. Так, в частности, разработана и изгс товлена автоматизированная система контроля инструментальных п< грешностей статоров и роторов поворотных трансформаторов, позві
гсяющая на ранних стадиях изготовления отбраковать элементы, не збеспечивающие выполнения заданных требований к РТК по точности.
Автор защищает методологию проектирования определенного класса мобильных РТК для работы в экстремальных условиях, математические модели и результаты моделирования транспортных и манипуляци-энных систем роботов с учетом их взаимосвязей, методы повышения эффективности расчетно-конструкторских работ и качества управления ?ТК в режиме реального времени, структуру и алгоритмы функциониро-зания систем управления, принципы конструирования и результаты экспериментальных исследований и испытаний отдельных элементов, юдсистем и РТК в целом.
Работы по указанному направлению велись с 1989г. в рамках госбюджетных научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра-5от, Генеральными заказчиками которых являлись Минатомэнерго и Миннауки, а заказчиком - Государственный институт физико-технических проблем.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладыва-тись и обсуждались на научно-техническом совете в НПО электромеха-іики (г.Миасс, 1991г.), на научных конференциях Уральского отделе-шя АН (г.Миасс, 1991, 1995гг.), на научно - техническом совете 1НТК "Прогресс" (г.Москва, 1991г.), на заседаниях научно-ехнических секций в ИФТП (г.Москва, 1991-96гг.) и НИКИМТ [г.Москва, 1991-94гг.), на IV научно-технической конференции 'Робототехника для экстремальных условий" в ЦНИИРТК (г.С-Іетербург, 1993г.), на научном семинаре в ИПМ РАН (г.Москва, 996г.) .
Опытный образец РТК прошел испытания на полигоне фирмы KHG Германия, 1995г.), на предприятиях НПО электромеханики и ИФТП 1993-97г.г.), видеоматериалы представлялись на выставках новых ехнологий России в Ю.Корее (1994г.) и Норвегии (1993г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 рабо-ы, получено А патента и 19 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ия, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений, бший объем работы составляет 301 страницу, в том числе 215 стра-иц машинописного текста, 127 иллюстраций на 86 страницах, 10 таб-
лиц и список литературы из 128 наименований. В качестве приложе 1 представлен акт внедрения результатов работы.
Диссертационная работа обобщает опыт работы автора в обла разработки мобильных робототехнических комплексов для экстрема ных условий, их изготовления и опытной эксплуатации. В проце работы также использовались научные и практические результаты, лученные автором в 1972-9ІГ.Г. по созданию прецизионных преобра вателей угловых перемещений в цифровой код, разработке, исследо нию и эксплуатации промышленных роботов, гибких производствен модулей и систем в механообрабатывающем и микроэлектронном прої водстве.
Тяжелые мобильные ДУ средства
Робот "AMR" (Япония) - для работ в атомной промышленности. Гусеничное шасси с изменяемой геометрией, радио/кабельное управление, шестистепенной манипулятор (3 кг), телекамера, имеется бортовая навигационная система, возможны автономные режимы. Масса - 150 кг, скорость - до 0,55 м/с.
Робот "C/V Robot" (Япония) - для работ в атомной промышленности. Колесно-шагающее шасси, кабельное управление и питание, семи-степенной манипулятор (20 кг) , бортовой компьютер, телекамера, возможны автономные режимы. Габариты - 700x500x1450 мм, масса -400 кг, скорость - до 0,05 м/с.
Робот "Herman" (США) - для работ в атомной энергетике. Гусеничное шасси, кабельное управление и питание, две видеокамеры, се-мистепенной манипулятор (72,5 кг). Габариты - 1143x737x1575 мм, масса - 816 кг.
Робот "Louie" (США) - для работ в атомной промышленности. Гусеничное шасси, кабельное управление и питание, три видеокамеры, шестистепенной манипулятор (22,7 кг). Габариты - 914x533x1219 мм, масса - 315 кг. Модификация "Louie-2" - колесный движитель (шесть колес), имеет устройство соскабливания бетона и вакуумный шланг.
Робот "MF-3" (ФРГ) - для работ в атомной промышленности. Гусеничное шасси (четыре гусеницы, изменяемая геометрия), кабельное управление, манипулятор, телекамера. Подъем по лестницам, препятствия высотой до 600 мм, рвы шириной до 1 м, скорость до 0,5 м/с. Габариты - 940x720x1080 мм, длина с полностью выдвинутыми гусеницами - 2264 мм. Масса - 400 кг.
Робот "MF-4" (ФРГ) - для работ в атомной энергетике. Гусеничное шасси, телевидение, манипулятор, кабельное управление. Максимальная скорость - 0,5 и/сек. Масса - 300 кг. Габариты -1300x584x400 мм (без манипулятора) . Робот "M00SE-1" (США) - для выполнения тяжелых работ. Шести-колесное шасси, кабельное управление, стереокамера, имеет оборудо 27 вание для обтесывания бетонных полов. Габариты - 1651x734x1295 мм. Масса - 650 кг. Преодолевает уклон до 30 град.
Робот "MRV-1" (Япония) - для работ в атомной промышленности. Гусеничное шасси (четыре гусеницы, изменяемая геометрия). Полезная нагрузка - 40 кг при уклоне 30 градусов. Телекамера, кабельное управление. Габариты - 1450x725x540 мм, масса - 170 кг.
Робот "Odex-1" - шагающий робот. Шестиногое шасси, радиоуправление, любая нога может выполнять функции манипулятора (21,8 кг), две CCD - камеры. Максимальная скорость - 0,7 м/с, масса -168 кг.
Робот "Odex-3" - шагающий робот. Для атомной энергетики. Шестиногое шасси, радиоуправление, видеокамера, манипулятор (11,3 кг), девять бортовых компьютеров. Габариты шасси: диаметр - 686 мм, высота - 1346 мм, масса 408 кг.
Робот "Раг-1" - для атомной энергетики. Гусеничное шасси, видеокамера, кабельное управление и питание, манипулятор (3,3 м, 22,7 кг). Габариты шасси - 914x762 мм, масса робота - 408 кг.
Робот "Roman" (Англия) - для работ в атомной энергетике. Гусеничное шасси, кабельное управление и питание, манипулятор (1,9 м, 35 кг). Габариты шасси 1100x780 мм. Масса робота - 712 кг. Максимальная скорость - 1 м/с.
Робот "Роман-Н" (Россия ) - разведчик. Гусеничное шасси, радиоуправление, телевизионная камера, манипулятор грузоподъемностью 6 кг. Предполагается разработка дополнительного оборудования: ковшового погрузчика, подъемного устройства, буровой установки, лафетного ствола с пеногенератором, контрольно-диагностической аппаратуры. Габариты платформы 1370x700x390 мм. Масса вместе с манипулятором - 230 кг.
"РТС" (Россия) - робототехническая система, разрабатываемая для работ в области атомной энергетики. Гусеничное шасси (четыре гусеницы, изменяемая геометрия), бортовая ЭВМ, радиоуправление (дальность связи - до 2000 м, возможно применение ретрансляторов), автовозврат при пропадании радиосвязи, стереотелевидение, двусторонняя речевая связь, сменные технологические модули (в том числе разведывательный, манипуляционный, грузовик, погрузчик, модуль разрушения и др.) . Габариты - 1000x600 мм, с полностью выдвинутыми гусеницами - 2000x1000 мм, высота (в зависимости от вида техноло 28 гического модуля) - от 700 до 1700 мм, максимальная скорость - до 1 м/с.
Робот "Rover-1"(RRV-1) (США) применялся при работах по дезактивации "Три Майл-Айленд-2". Колесное шасси (шесть колес), водонепроницаемый корпус, телевидение, кабельное управление, на роботе смонтирована установка для дезактивации бетона струями воды под давлением до 200 МПа, при этом снимался слой бетона толщиной до 6,4 мм. Вариант робота оборудован бурильной установкой массой 450 кг. Габариты робота - 1270x737x1930 мм, масса - 454 кг.
Робот "Serveor" (США) предназначен для работы в условиях ограниченного загроможденного пространства при высоком уровне радиации. Гусеничное шасси, бортовая ЭВМ, стереотелевидение, манипулятор, микрофон, датчики окружающей среды, радиоуправление, фара. Прошел испытания в жестких условиях: водогрязевая смесь глубиной 27 см, лабиринтные ходы, радиация - более 5 бэр/час. Габариты шасси - 1143x572x521 мм. Масса робота - 217 кг.
Робот "Toshiba Corp." (Япония) предназначен для осмотра и контроля технологического оборудования АЭС. Гусеничное шасси (четыре гусеницы), бортовая ЭВМ, радиоуправление, манипулятор, стереотелевидение, датчики окружающей среды. Габариты -1430x500x1235 мм.
Робот "Vampire" (Бельгия) - для разведки и выполнения технологических операций манипуляторами. Гусеничное шасси с изменяемой геометрией, два манипулятора грузоподъемностью 10 кг, сменные схваты для манипуляторов, телевидение, радиоуправление, двусторонняя речевая связь, датчики окружающей среды. Габариты -800x700x1500 мм, длина с полностью выдвинутыми гусеницами - до 1440 мм. Подъем по лестнице, преодоление препятствий высотой до 457 мм. Масса робота - 250 кг. Скорость - до 1 м/с.
Робот "Xianfeng" (Китай ) - для работ в ядерной промышленности. Гусеничное шасси, кабельное управление, манипулятор (10 кг), бортовой процессор (8086), видеокамера. Габариты - 1300x700x800мм, масса - 250кг. Максимальная скорость - 9,7 м/с.
Кинематическая модель базового подвижного модуля при движении по пересеченной местности
Облик БПМ должен формироваться на основе анализа технических требований и предварительных исходных данных. Оценка альтернативных технических решений производится по функциональным (разведка, монтажно-демонтажные работы, пожаротушение, проникновение комплекса в заданную зону работы) и оперативным (условия работы, ограничения по массо-габаритным характеристикам, эксплуатационные свойства) требованиям.
Облик БПМ в целом определяется обликом приборного контейнера с учетом возможности установки на нем различного оборудования, а также типом и конструкцией шасси, причем следует иметь в виду взаимное влияние указанных компонентов БПМ.
В целях обеспечения повышенной "живучести" БПМ в экстремальных условиях служебные системы устанавливаются в едином герметизированном приборном контейнере, в котором поддерживается избыточное давление. Внешние габариты корпуса приборного контейнера определяются, с одной стороны, требованием минимизировать высоту БПМ, а с другой - требованием разместить внутри необходимые агрегаты, аппаратуру и образовать по наружной поверхности силовые элементы для размещения и закрепления навесного оборудования. Ограничение габаритов БПМ по высоте и ширине при обеспечении необходимого дорожного просвета однозначно определяет длину приборного контейнера.
Выбор типа движителя и схемы шасси основывается на анализе условий движения, требуемых эксплуатационных качествах и предполагаемых массо-габаритных характеристиках. При выборе типа движителя необходимо выполнить требования по проходимости и маневренности. Дополнительными критериями служат масса шасси, габаритные размеры, конструктивная сложность, количество двигателей, количество передач трансмиссии, редукторов, сложность управления, оцениваемая по количеству операций при совершении маневра и т.д.
Для обеспечения достаточной маневренности движитель должен обладать соответствующим соотношением коэффициентов продольного и поперечного сцепления, допускающим совершение поворота с заданным радиусом. Для обеспечения движения по слабым грунтам движитель должен обладать достаточной опорной поверхностью для обеспечения низкого удельного давления, малым сопротивлением движению и высокими сцепными качествами. Современное состояние теории и практики проектирования наземных транспортных средств и уровень технологии, с учетом перечисленных особенностей, диктуют необходимость использования движителей гусеничного типа.
Схема шасси (количество движителей, их расположение, возможности трансформации) определяется из условий обеспечения достаточной устойчивости, проходимости и маневренности.
Приведем теперь в качестве примера краткое описание БПМ, разработанного для проведения горноспасательных работ (основные технические характеристики БПМ для работы в условиях АЭС приведены в гл.5) .
Приборный контейнер (ПК) с оборудованием крепится на силовой раме шасси, при этом приборный контейнер охватывается со всех сторон силовым защитным каркасом, предохраняющим ПК и навесное оборудование от прямого механического воздействия. Электротехнические элементы, установленные на борту БПМ, связаны в соответствующем порядке бортовой кабельной сетью. На силовом защитном каркасе установлен баллон со сжатым воздухом для наддува приборного контейнера и создания в нем избыточного давления. БПМ оснащен полноприводным четырехгусеничным шасси с независимой торсионной подвеской гусеничных модулей. Силовой каркас выполняет роль не только защитного но и несущего для. размещения и закрепления различного технологического оборудования, аппаратуры и грузов. Конструкция БПМ прелVCMSтойвает возможность адаптации к условиям движения за счет инПИВМЛУЭЛЬ ной подвески и принудительного изменения положения гу постоянными магнитами из редкоземельных элементов. При разрыве или сходе гусеничной ленты движитель может эксплуатироваться как колесный. Система управления движением обеспечивает плавное регулирование скорости перемещения БПМ практически от нуля до максимума, торможение, реверс, а также адаптивный режим работы движителя в соответствии с условиями движения под каждой гусеницей. Энергоснабжение шасси осуществляется либо от автономного источника питания, установленного в приборном контейнере, либо по кабелю. Б процессе работы БПМ обеспечивает траекторное перемещение аппарата с произвольным радиусом в габаритной полосе движения с шириной равной ширине аппарата, а также прохождение поворотов (коридоры туннели, лестничные пролеты) в габаритной полосе движения с шириной, равной размеру БПМ по диагонали в плане.
Вычисление обобщенных сил, реализующих заданные программные движения звеньев исполнительного механизма
При проектировании транспортной системы важную роль играют их математические модели, являющиеся ядром процесса проектирования. Как было сказано выше, при описании концепции проектирования, именно результаты моделирования работы проектируемой подсистемы предоставляют проектировщику необходимую информацию для принятия решения относительно того, удовлетворяет или нет система заданным требованиям (представленным в виде вектора проектируемых параметров). В настоящем разделе будет представлено несколько математических моделей транспортной системы. Конечно, было бы весьма желательным иметь одну модель, используемую для всех этапов проектирования, однако, как показала практика проектирования рассматриваемого класса систем, такая модель была бы чрезвычайно сложной, громоздкой и эффективность ее использования была бы весьма низка: так вряд ли было целесообразно учитывать наличие приводов при анализе ускорений передаваемых от БПМ к за крепленному на нем манипулятору (п.2.2) при его перемещении по произвольному рельефу, поскольку модель, учитывающая упругие подвески, приводы, а также произвольный рельеф, является чрезвычайно сложной.
В этом разделе будут проанализированы динамические параметры БПМ, движущегося по плоскости произвольной ориентации. С этой целью сначала будет построена модель гусеничного движителя (ДГ) , используемая далее (в несколько упрощенном виде) как элемент динамической модели БПМ.
Пространственное перемещение базового подвижного модуля (БПМ) осуществляется движителями различной конструкции. Одним из наиболее универсальных движителей БПМ является гусеничный. Четыре ДГ, конструкция и кинематическая схема которого изложены в [118], позволяют обеспечить практически неограниченную траекторию движения БПМ по пересеченной местности, завалам, лестничным марщам и т.п. Целенаправленное движение БПМ осуществляется комплексированным управлением четырьмя ДГ оператором, визуально оценивающим реальное положение БПМ и задающим текущее целеуказание. Реализация целеуказания осуществляется системой управления, вырабатывающей уставки по угловой ориентации каждого движителя относительно БПМ и линейной скорости его транспортной ленты (гусеницы)
Изменение угловой ориентации ДГ в данной конструкции осуществляется основным тяговым двигателем и может проводиться лищь при неподвижном БПМ. При этом к динамике системы угловой ориентации ДГ особых требований не предъявляется.
Законы управления движением БПМ в целом могут быть сформированы лишь при известных динамических характеристиках зависимостей реальной линейной скорости точки (оси) закрепления ДГ на БПМ от управляющего воздействия. Эти динамические характеристики, определяемые математической моделью ДГ, являются предметом данного раздела .
Конструкция ДГ предусматривает его работу в двух режимах, отличающихся величиной максимальной скорости. Переход из одного режима в другой осуществляется при неподвижном ДГ путем изменения передаточного отношения редуктора. Математическая модель ДГ для двух режимов аналогична и отличается лишь численными значениями коэффициентов, поэтому далее рассматривается один режим работы ДГ (с большей максимальной скоростью).
При построении математической модели введем следующие допущения : - в качестве нагрузки на ДГ рассматривается абсолютно жесткий объект массы М; влияние упругой податливости элементов конструкции БПМ должно быть учтено при анализе СУ БПМ в целом; проскальзывание транспортной ленты относительно грунта не рассматривается; - нелинейные факторы системы управления математически описываются членами уравнений с сосредоточенными постоянными параметрами. Функциональная схема системы управления ДГ приведена на рис. 2.4, где обозначено : У - усилительно-преобразующий блок управления приводом; УИ - импульсный усилитель мощности; Дв - тяговый электродвигатель; ТГ - тахогенератор;
Р - редуктор привода ведущего катка; Тр.Л - транспортная лента (гусеница); Uy - напряжение уставки линейной скорости Тр.Л; I - ток двигателя;
UTr" выходное напряжение тахогенератора; ф - угловая скорость ротора двигателя; фк - угловая скорость ведущего катка; Ул - линейная скорость БПМ в точке закрепления ДГ . Как видно из рис.2.4, СУ ДГ представляет собой классическую систему регулирования скорости выходного вала с тахометрической обратной связью. Основной особенностью ее является упругая связь между осью регулирования скорости и нагрузкой через редуктор и транспортную ленту, что обуславливает соответствующие частотные характеристики ДГ как звена единой системы управления БПМ. Второй особенностью данной системы является применение в качестве тягового двигателя и тахогенератора бесколлекторных многополюсных электрических машин постоянного тока с возбуждением от постоянных маг
Требования к электромеханическим узлам электроприводов
Выше, в гл.1, были описаны основные этапы проектирования МРТК как сложной многокомпонентной системы, включающей ряд подсистем. К числу таких подсистем относится манипуляционная система, и следовательно, при ее проектировании должны быть пройдены все указанные выше этапы.
Процесс проектирования имеет как правило нисходящий характер, т.е. протекает преимущественно сверху вниз. Здесь можно выделить несколько характерных этапов [20].
На 1-м этапе формируются цели проектирования, где перечисляются требуемые свойства и параметры МС, как правило, без указания путей достижения этих целей.
На 2-м этапе формируется концепция построения МС и ищутся пути реализации тех или иных технических требований. В процессе поиска и анализа прототипов, а также грубого (упрощенного) моделирования МС в условихх неполной информации формируется облик МС, ее структура и принципы взаимодействия составных частей, уточняется ее описание, что приводит к последовательному снятию неопределенностей и, как следствие, к уточнению модели. Но по мере уточнения описания МС нельзя значительно сужать область возможных вариантов ее построения т.е. желательно вырабатывать такие концепции построения МС, чтобы на раннем этапе проектирования не исключить из рассмотрения такие МС которые могут оказаться эффективными Кроме этого концепции построения МС должны формироваться с V4етом как целей проектирования так и KOHCTPVKTOPCко-технологических ограничений материальных и (Ьинансовых ресvpcoB и возможностей производства.
На 3-м этапе создается, во-первых, механико-математическая модель целого класса МС, который полностью покрывает выделенное множество возможных конструкций МС, во-вторых, математическая модель среды функционирования МС из этого класса. Первая модель, как правило, создается в виде уравнений кинематики, статики, динамики и некоторых других функциональных уравнений, в которые входят, например, следующие элементы вектора проектируемых параметров (ВПП): а) структурные параметры МС, определяющие число, порядок расположения и тип ветвей кинематической модели МС; б) кинематические параметры каждой ветви МС, определяющие чис ло сочленений, их тип и порядок расположения в ветви, а также гео метрические параметры звеньев; в) массо-геометрические параметры всех подвижных звеньев МС, определяющие массу, положение центра масс и тензор инерции этих звеньев; г) физико-технические параметры всех звеньев МС, определяющие податливость звеньев, их диссипативные и другие свойства.
При таком подходе созданная механико-математическая модель МС будет иметь важнейшее качество, характеризующееся тем, что для изменения ее структуры и свойств в широких пределах достаточно изменить числовые значения всех или некоторых элементов ВПП. В этом случае значительно упрощается организация и проведение автоматизированного синтеза МС с заданными свойствами. В противном случае, т.е. когда в модель явно не входят элементы ВПП, решение задач синтеза может оказаться практически нереализуемо.
На 4-м этапе осуществляется формализация целей и постановок задач. Здесь, во-первых, по возможности формализуются требования к МС и, во-вторых, формируются области поиска значений элементов ВПП. Работа в среде САПР возможна только при должной формализации описания МС, среды ее функционирования и корректных постановок всех расчетных задач.
На 5-ом этапе выполняются, как правило, следующие работы. Во-первых, при помощи тех или иных математических методов решаются поставленные на предшествующем этапе задачи. Во-вторых, анализируются полученные решения или сравниваются альтернативные варианты расчетов в случае наличия неформализованных критериев качества МС или многокритериальных задач. В-третьих, с соответствующим обоснованием принимаются те или иные проектные решения, т.е. решения, которые окончательно определяют конструкцию составных частей или МС в целом. Этот этап может закончиться частичным уточнением конструкции и возвратом на ранние этапы проектирования.
Расчетно-конструкторские работы, выполняемые на различных этапах проектирования МС, преследуют одну цель - итерационное уточнение описания создаваемой конструкции МС путем принятия наиболее рациональных проектно-конструкторских решений. Такие решения получаются, как правило, в процессе итерационно-циклических расчетно-конструкторских работ, которым свойственно чередование задач синтеза и анализа решений. К числу основных задач, решаемых в процессе проектирования, относятся следующие. Анализ областей достижимости исполнительного механизма.
Целью здесь является построение такой кинематической схемы манипулятора и выбор таких его конструктивных параметров (определяющих ограничения на области изменения обобщенных координат), чтобы его область достижимости была максимально возможной. При этом должны учитываться не только декартовы координаты охвата манипулятора, но и его ориентация. Если обозначить через 8 = (х, у, 2, а, Р, у) набор из шести чисел, определяющих положение свободного твердого тела в пространстве (например, координаты центра связанной со схватом системы координат и углы, определяющие его ориентацию) , через я - вектор обобщенных координат манипулятора: q=(qi, q2, .-., qN )Т, через Q± - область изменения і-й координаты: Qi= = [а±, bj.] , так кто о± qi bir тт область ьостижимосст R состоит ти наборов 8, обладающих следующим свойством : К = ( 8 : f(q) = 8, я е Qxх02х ... xQN }, где преобразование f(q) решает прямую задачу кинематики. Кроме того, в процессе проектирования может возникнуть вопрос достижимости схватом манипулятора той или иной точки пространства с заданной ориентацией.
Таким образом, анализ областей достижимости базируется на решении прямой и обратной позиционной кинематической задачи.
Здесь требуется дополнительно подчеркнуть следующее чрезвычайно важное обстоятельство. Выбранная в процессе проектирования кинематическая схема манипулятора определяет не только область достижимости и маневренность механизма, но и эффективность управления, поскольку все существующие алгоритмы управления (контурные/позиционно-контурные) в той или иной степени используют решение обратной кинематической либо скоростной задачи. При этом следует отметить, что при одной и той же производительности средств вычислительной техники, используемых для управления манипулятором, качество управления, характеризуемое динамической ошибкой, временем и колебательностью переходного процесса, будет выше у манипулятора с такой кинематической схемой, для которой обратные задачи кинематики допускают аналитическое решение. В противном случае (как, например, для манипулятора модели Cincinnati Milacron Т3 566) необходимо использовать различного рода численные методы, носящие, как правило, итерационный характер, что сушественно увеличивает время вычислений и ухудшает качество управления.