Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии, средств механизации и автоматизации строительных работ
1.1. Технологические особенности строительных процессов как объектов роботизации и управления
1.2. Анализ средств механизации и автоматизации строительных операций
1.3. Требования к роботизированным и мехатронным комплексам для выполнения строительных работ
1.4. Постановка задач исследований
1.5. Выводы по главе 1
2. Принципы построения и структурная организация роботизированных и мехатронных комплексов для строительных работ
2.1. Структурный и кинематический анализ строительных роботов
2.2. Принципы построения и структурная организация роботизированных монтажных комплексов
2.3. Структурная организация и анализ манипуляционных систем отделочных и бетоноукладочных роботов
2.4. Принципы построения мехатронных комплексов для монолитного строительства
2.5. Выводы по главе 2
3. Математические модели строительных роботов и мехатронных комплексов
3.1. Математические модели роботизированных строительно-монтажных комплексов
3.2. Математические модели бетоноукладочных роботов
3.3. Математические модели отделочных роботов
3.4. Математические модели мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства 124
3.5. Выводы по главе 3 132
4. Планирование траекторий движения строительных роботов и мехатронных комплексов 134
4.1.. Построение каркаса траекторий движения строительно-монтажных роботов 134
4.2. Планирование установочных траекторий движений монтажных роботов с оптимизацией скорости 144
4.3. Планирование траекторий движения отделочных и бетоиоукладочных роботов , 151
4.4. Планирование движений строительных роботов в обобщенных координатах 156
4.5. Построение прогнозирующих и адаптивных алгоритмов планирования движений 165
4.6. Планирование движений мехатронного комплекса для монолитного строительства 172
4.7. Выводы по главе 4 179
5. Управление строительными роботами и мехатронными комплексами 180
5.1. Динамические алгоритмы управления строительно-монтажными роботами и РМК 180
5.2. Кинематические алгоритмы управления отделочными и бето ноу к-ладочными роботами ] 99
5.3. Управление многомерными мехатронными скользящими комплексами 209
5.4. Выводы по главе 5 221
6. Практические рекомендации по роботизации работ в крупнопанельном и монолитном строительстве 223
6.1. Роботизация монтажных операций в крупнопанельном строительстве 223
6.2. Роботизация отделочных и бетоноукладочных работ 234
6.3. Предложения по практической реализации мехатронных скользящих комплексов 242
6.4. Интегрированный программный пакет для разработки и моделирования роботов 254
6.5. Выводы по главе 6 261
Заключение 263
Список литературы
- Анализ средств механизации и автоматизации строительных операций
- Принципы построения и структурная организация роботизированных монтажных комплексов
- Математические модели бетоноукладочных роботов
- Планирование установочных траекторий движений монтажных роботов с оптимизацией скорости
Введение к работе
Актуальность темы. В современном строительном комплексе крупнопанельное и монолитное строительство занимает одно из ведущих мест. Основными технологическими операциями этих видов строительства являются монтажные, отделочные и бетонные, которые отличаются значительной трудоемкостью, большими объемами, частичной механизацией и малой автоматизацией. Одним из путей интенсификации этих видов работ является автоматизация строительных операций на основе использования достижений робототехники, мехатроники и микропроцессорной техники. Анализ технологии строительства крупнопанельных и монолитных объектов показывает, что в настоящее время можно комплексно механизировать и автоматизировать процесс выполнения монтажных, отделочных и бетонных работ на основе разработки и внедрения специализированных роботов, робототехниче-ских и мехатронных систем. Технологические особенности строительных процессов требуют адаптации роботов к условиям строительной площадки, разработки новых принципов построения строительных роботов. Успешная роботизация строительства возможна лишь при ее организации, изначально ориентированной на применение роботов для выполнения определенных строительных операций.
С середины 80-х годов ХХ-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций. Среди них ведущую роль занимают ЦНИИОМТП, ВНИИстройдормаш. МИСИ. ЮРГТУ (НПИ), Спецжелсзобетонстрой, Мюнхенский технологический университет. Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций базируется на трудах ученых Макарова И.М., Фролова К.В., Попова ЕЛ., Юревича Е.И., Кулешова А.И.. Локоты Н.А., Ющенко А.С, Тимофеева А.1-і.. Крутько П.Д., Медведева B.C., Подураева Ю.В., Зенкевич С.А., Лохина В.М.. Бурдакова С.Ф., Кореидясева А.И., Тугенгольда А.К., Жавпер В.Л., Каляева И.А., Петракова В.А. и др., внесших значительный вклад в становление и развитие современных теоретических основ робототехники и мехатроники.
Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Евдокимов В.А., Вильман Ю.А., Воробьев В.А., Загороднюк В.Т., Булгаков А.Г., Максимычев О.И., Френкель Г.Ю., Гудиков Г.Г., Бок Т. и др. Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники уровень автоматизации и роботизации строительных операций остается достаточно низким. Это связано с необходимостью систематизации выполненных исследований и разработок, проведения комплексных научно-исследовательских и опыгно-копструкторских разработок. Необходимо решать задачи структурной организации строительных роботов и робототехнических комплексов, искать оптимальные алгоритмы решения задач кинематики и динамики манипуляторов, заниматься разработкой методов планированием траекторий движения роботов при выполнении различных строительных операций, разрабатывать алгоритмы управления, обеспечивающие функционирование строительных роботов в условиях стохастической и недетерминированной среды.
Настоящая работа посвящена разработке научных основ создания специализированных роботов, робототехнических и мехатронных систем для выполнения монтажных, отделочных и бетонных работ при строительстве крупнопанельных и монолитных зданий и сооружений. В ней рассмотрены принципы построения строительных роботов, робототехнических и мехатронных систем, методы анализа и синтеза исполнительных устройств, построение математических моделей робототехнических и мехатронных систем, анализ их характеристик методами компьютерного моделирования, методы управления строительными роботами, робототехническими и меха-тронными системами.
Исследования выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов» по госбюджетной теме П.53,729 «Разработка принципов построения робототехнических систем, средств ав-
томатизации и информационного обеспечения производственных процессов, технологических комплексов и мобильных машин». Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория интеллектуальных информационно-управляющих систем и принципов построения мобильных робототехниче-ских комплексов и мехатронных устройств с лазерными каналами связи» № 19.99Ф.
Цель и задачи исследований. Целью работы является решение научной проблемы анализа и синтеза роботизированных и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, обеспечивающих построение высокоэффективных средств комплексной механизации и автоматизации строительных операций, повышающих производительность и качество выполнения работ, снижающих их трудоемкость.
В связи с этим необходимо решить следующие задачи:
-разработать концепцию построения робототехнических и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, критерии структурного и кинематического анализа строительных манипуляторов, учитывающие технологические особенности и требования;
-разработать критерии выполнения структурно-параметрического синтеза маниггуляционных системы строительных роботов, обеспечивающие оптимизацию геометрических параметров па основе эффективного использования рабочего пространства;
- разработать методы математического моделирования упругих деформаций манипуляционных механизмов, построить математические модели строительных роботов, робототехнических и мехатронных систем, учитывающие статические и динамические особенности объектов и ориентированные на анализ и синтез законов управления движением;
- разработать методологию планирования траекторий движения строительных роботов и робототехнических комплексов, обеспечивающую при заданных начальных условиях оптимизацию пути или времени движения, и ме-
год -экстраполяции траекторий движения мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства, учитывающий требования гладкости и ограничения на кривизну траектории;
сформировать методы синтеза законов управления строительными роботами, робототехническими и мехатронными системами, обеспечивающие компенсацию динамики, минимизацию вычислительного процесса и задан-ное качество управления с учетом конструктивных и технологических ограничений;
разработать рекомендации и методики инженерного расчета и проектирования строительных роботов, робототехнических и мехатронных комплексов, создать автоматизированный программный пакет для разработки, моделирования и исследования манипуляционных роботов и робототехнических систем.
Идея работы заключается в разработке методологии анализа и синтеза строительных роботов, роботизированных и мехатронных систем, основанной на структурно-кинематическом методе их построения, раздельно-синхронном выполнении операций, использовании фиктивных степеней подвижности при учете упругих деформаций мани пуля ционных структур, двухуровневой интерполяции траекторий движения и многоуровневых динамических алгоритмах управления комплексами.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования и практические результаты основываются на системном подходе, законах классической механики, теоретических основах робототехники и меха-троники, методах математического анализа, классической и современной теории управления, методах компьютерного моделирования, теории планирования эксперимента. Полученные результаты проверялись компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями.
Научные положения, защищаемые автором:
- концепция построения строительных роботов, робототехнических и
мехатронных комплексов для крупнопанельного и монолитного строителыл-
ва, основанная на системном подходе и структурно-кинематическом методе; структурные и кинематические характеристики, позволяющие проводить сравнительный анализ манипуляционных систем строительных роботов и выбирать структуры, наилучшим образом учитывающие технологические особенности роботизируемого процесса;
метод структур но-параметр и чес ко го синтеза манипуляционных систем строительных роботов, позволяющий оптимизировать геометрические параметры звеньев для технологически обусловленных характеристик рабочего пространства;
метод математического моделирования упругих деформаций манипуляционных механизмов и математические модели строительных роботов, ро-бототехнических и мехатронных систем, учитывающие деформацию звеньев, статические, кинематические и динамические особенности объектов, взаимодействие исполнительных механизмов, ориентированные на анализ и синтез законов управления движением;
методология планирования траекторий движения строиіельньїх роботов и робототехнических комплексов, основанная на методах интерполяции и алгоритмах планирования, обеспечивающих при заданных начальных условиях оптимизацию пути или времени движения, требуемые гладкость и точность задания траектории, метод экстраполяции траекторий движения мехатронных скользящих комплексов, учитывающий конструктивно-технологические ограничения кривизны траектории;
синтез алгоритмов управления исполнительными механизмами робототехнических и мехатронных систем, основанный на методах многоуровневого, кинематического и динамического управления, методе управления с компенсацией динамики и внешних возмущений, методах группового управления с синхронизацией перемещений регулирующих механизмов, обеспечивающих заданное качество управления с учетом конструктивных и технологических ограничений и минимизацию вычислительного процесса;
- методы инженерного расчета и проектирования компонентов строи-
тельных роботов, робототехнических и мехатронных комплексов; автоматизированный программный комплекс разработки, моделирования и исследования мани пул яционных роботов и РТС; информационно-управляющие системы, обеспечивающие взаимодействие оператора с робототехническими и мехатронными комплексами.
Научная новизна результатов исследований состоит в решении научной проблемы, заключающейся в разработке концепции построения, методологии анализа и синтеза робототехнических и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, и характеризуется следующим:
впервые в отечественной и зарубежной науке и практике строительной робототехники сформулирован системный подход построения специализированных строительных роботов и РТК, основанный па структурно-кинематическом методе; предложены новые критерии оценки функциональных возможностей манипуляционных систем, учитывающие технологические и конструктивные требования; определены структурно-кинематические особенности построения мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства, позволяющие реализовать непрерывно-циклический процесс возведения монолитных объектов конической или гиперболической форм; предложен способ пространственной корректировки положения платформы комплекса, использующий ее наклон и кручение;
новизна предложенного метода оптимизации геометрических параметров манипуляционных систем, положенного в основу структурно-параметрического синтеза строительных робоюв, заключается в минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических движений;
- разработанный метод математического моделирования упругих де
формаций строительных манипуляторов, отличается использованием фик
тивных степеней подвижности, вводимых в структур}' манипулятора, впер
вые получен комплекс математических моделей строительных роботов, ро
бототехнических и мехатронных комплексов, ориентированных на иселедо-
вание процессов управления исполнительными механизмами, которые учитывают деформации звеньев манипуляционных систем и конструктивных элементов мехатронных комплексов, наличие замкнутых контуров и гибких связей, взаимодействие оборудования с рабочей поверхностью;
методология планирования траекторий движения строительных роботов отличается совокупностью методов, учитывающих их кинематические, динамические и технологические особенности, в состав которых включен новый метод двухуровневой интерполяции, обеспечивающий оптимизацию скорости перемещения объекта при ограничениях усилий в захватных устройствах, метод планирования транспортных операций, отличающийся использованием нечетких алгоритмов выбора траектории и ее оптимизации, метод корректировки положения мехатронного скользящего комплекса, отличающийся использованием двухфункциональной аппроксимации, параметры которой определяются из условий гладкости, приближения и ограничений на кривизну;
новизна разработанного метода управления роботизированным монтажным комплексом связана с использованием трехуровневых динамических алгоритмов управления, учитывающих ограничение нагрузки в захватных устройствах; предложенный метод управления гидроприводами строительных роботов по раздельным каналам со стабилизацией давления, отличается способом компенсации динамики манипулятора на основе линеаризованной модели; новизна метода синхронизации перемещений подъемных и регулирующих механизмов мехатронных скользящих комплексов заключается в дискретно-непрерывном управлении механизмами при жестких ограничениях на управление, обеспечивающих асимптотически устойчивое перемещение платформы;
впервые предложены и исследованы математические и алгоритмические основы построения автоматизированной системы разработки и проектирования строительных роботов; предложен метод расчета позиционных сис-
тем управления подъемными домкратами, основанный на использовании принципа компенсации выбега привода.
Обоснование н достоверность научных положений выводов и результатов обусловлена корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, мехатроники, классической теории управления, теории электропривода, корректными допущениями при составлении математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов и подтверждается результатами компьютерного моделирования, при этом максимальная ошибка отклонения расчетных и экспериментальных данных не превышает 7,8%.
Научное значение результатов исследований. Совокупность разработанных в диссертации структур, моделей, методов планирования и управления движением представляет собой методологические основы построения роботизированных и мехатронных комплексов для крупнопанельного и монолитного строительства, которые расширяют теорию робототехники и мехатроники и могут рассматриваться как новое самостоятельное направление прикладной робототехники. Теоретическая значимость научных результатов состоит в том, что предложены, обоснованы и экспериментально подтверждены методы структурного построения и анализа, моделирования динамики и управления движением для нового класса строительных роботов, отличающихся структурой, технологией взаимодействия с рабочей средой, требованиями к управлению.
Практическое значение результатов исследований заключается в том, что предложенные структуры, методы и алгоритмы позволяют разрабатывать строительные роботы, робототехнические и мехатронные комплексы, обеспечивающие необходимую точность и надежность, сокращающие трудо-еімкость работ и повышающие качество их выполнения. Практическая ценность работы состоит в следующем:
- разработанные методы структурного анализа строительных манипуляторов и синтеза геометрических параметров позволяют обоснованно подхо-
дить к выбору структурных решений, расчету строительно-монтажных, отделочных и бетоноукладочных роботов и мехатронных комплексов;
предложенный метод учета упругих деформаций и построенные на его основе модели строительно-монтажных, штукатурных и бето ноу кладочных роботов позволяют более обосновано вести разработку и проектирование строительных роботов, снизить их вес и стоимость;
разработанные методы планирования и управления движением позволяют получить необходимое качество управления, обеспечить оптимизацию пути или скорости движения, учесть ограничения на кривизну траекторий, обеспечить компенсацию внешних воздействий и динамики механизмов:
разработанные рекомендации и методики инженерного расчета позволяют проектировщику вести многовариантное проектирование, осуществлять выбор наилучших вариантов, сократить сроки выполнения проектных работ;
- разработанный интегрированный программный комплекс ''Roboi
Maker" автоматизирует процесс разработки строительных роботов, и значи
тельно сокращает время проведения кинематических и динамических иссле
дований разрабатываемой манипуляционной системы.
Реализация результатов работы. Разработанные структуры, модели, методики и алгоритмы, пакеты программ приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию строительными фирмами: ЗАО «Донское крупнопанельное домостроение» (г. Ростов-на-Дону), ЗАО «Донмеханиза-ция» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Гипростройдормаш» (г. Ростов-на-Дону); НПФ «Интербиотех» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Спецжелезобетонстрой» (г. Москва), ОАО «Экспериментальная ТЭС» (г. Красный Сул и и). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой "Автоматизация производства, робототехника и мехатропика" ЮРГТУ (НПИ) и кафедрой "'Информационные и управляющие системы" РГАСХМ для студентов специальности 220402 «Роботы и робототехпические системы», а также кафедрой «Электротехника и автоматика» РГСУ для студентов специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства». Материалы дис-
сертации включены в учебные пособия «Основы автоматизации и робототехники» (Ростов-на-Дону, Изд-во РГСУ. - 2005) и «Автоматизация строительного производства» (Новочеркасск, Изд-во ЮРГТУ. - 2006), рекомендованных УМО для студентов вузов, обучающихся по специальности 2701 13.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научном семинаре «Опыт применения манипуляторов и роботов в строительстве» (Москва,1998); международной научно-практической конференции «Рациональное использование электроэнергии в строительстве и на транспорте» (Ростов-на-Дону, 2000); международной научной конференции "Математические методы в интеллектуальных системах" - ММИИС-2002 (Смоленск, 2002); международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2002); XV-й (Тамбов, 2002), XVI-й (Ростов н/Д, 2003), XVII-й (Кострома, 2004), XVIII-й (Казань, 2005) и XIX-й (Воронеж. 2006) международных конференциях "Математические методы в технике и технологиях"; 18-м (Краков, Польша, 2001г.), 19-м (Гейшерсбург. США, 2002г.), 20-м (Ейдховен, Нидерланды, 2003г.), 21-м (Сеул. Южная Корея, 2004г.) и 22-м (Феррара, Италия, 2005г.) международных симпозиумах по автоматизации и роботизации в строительстве ISARC; ежегодных научно-практических конференциях РГАСХМ, ЮРГТУ, РГСУ в 1998- 2006 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 52 научных трудах, в том числе по материал работы издано 5 монографий, опубликовано 1 1 статей в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 7 авторских свидетельств на изобретения, опубликовано 7 докладов на английском языке в 5 странах.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы содержит 287 страницы основного текста, і 27 рисунков, 6 таблиц, библиографический список литературы из 205 найменований.
Анализ средств механизации и автоматизации строительных операций
В настоящее время накоплен определенный опыт механизации и автоматизации строительных операций. В качестве основы механизации монтажных работ используются башенные краны, в том числе с автоматическим, программным и дистанционным управлениями [166, 8, 12, 51]. Анализ показал, что типовые конструкции кранов не позволяют производить точное позиционирование стеновых панелей в автоматическом режиме из-за наличия гибкого подвеса и деформаций элементов крана, что послужило основанием для разработки новых конструкций манипуляторов на базе башенного крана.
Для построения монтажных РТК представляют интерес краны, снабженные ориентирующим устройством, связанным со стрелой пространственной канатной подвеской [147]. Ее применение позволяет избавиться от крутильных колебаний, возникающих в обычной системе (рис. 1.1). Пространственная подвеска с канатами, натянутыми силой веса подвешенного груза, воспринимает полную пространственную систему нагрузок как жесткая связь. Высокую стабильность ориентирующего органа обеспечивает подвесная система Stewart-Platform [63], состоящая из двух ориентируемых друг относительно друга платформ, каждая их которых имеет три точки для подвески связывающих их стальных канатов. Длина каждого каната может регулироваться по отдельности при помощи индивидуальных электрических сервоприводов. Сократить продолжительность монтажа крупнопанельных зданий позволяет башенный кран, снабженный манипулятором и накопительным устройством (рис. 1.2) [45, 98]. Этот кран содержит две стрелы: основную I, с грузовой тележкой и установ ленным на ней манипуля t тором 2, и вспомогательна) ную стрелу 3 с перемещающейся по ней кареткой, и поворотно-передаточное устройство 4. Последнее выполняет функцию магазинного устройства и содержит кольцевую раму с кронштейнами для подвешивания траверс с панелями. Конструкция этого крана позволяет выполнять одновременно операции по подъему одних эле ментов и установке в проектное положение других. Недостатком такой схемы является высокая подвижность крана, поэтому очень сложно добиваться требуемой точности монтажа.
Для монтажа строительных элементов зданий и сооружений предложены различные варианты кранов-манипуляторов, отличающихся типами связей [28, 12]. В зависимости от конкретного назначения в них использованы жесткие, гибкие и комбинированные связи. На рис. 1.3 представлено несколько наиболее интересных структурных решений кранов-манипуляторов. Первая схема (рис. 1.3,а) включает башню со стрелой, на которой установлено телескопическое звено с ориентирующим органом. Наличие длинной телескопической секции, имеющей значительную массу, в несколько раз снижает рабочую грузоподъемность крана-манипулятора, а ограниченная жесткость телескопического звена не обеспечивает требуемую точность монтажа. Указанные недостатки ограничивают применение подобных структур на высоких объектах. С целью обеспечения необходимой точности позиционирования предложено использовать поворотную телескопическую опору (рис. 1.3, б), выполняющую временную фиксацию ориентирующего органа при
Структура кранов-манипуляторов ориентации монтируемого элемента. Основной недостаток схемы - громоздкость конструкции и значительный вес дополнительного оборудования, приводящий к увеличению расчетной грузоподъемности кранов в 1,7-2 раза. Кроме того, такая конструкция создает значительную сосредоточенную силу на возводимый объект. На рис. 1.3,в представлена конструкция с ориентирующим механизмом, перемещающимся вдоль траверсы. Недостатком конструкции являются возникающие колебания в процессе установки панелей и наличие дополнительной нагрузки, соизмеримой с полезной нагрузкой монтируемых конструкций.
Несмотря на несовершенство, сложность и громоздкость предлагаемых устройств, отдельные их решения безусловно заслуживают внимания и могут быть использованы при разработки современных монтажных роботов и роботизированных комплексов. Анализ показал, что в процессе выбора конструкции монтажного РТК необходимо учитывать, что «жесткая» кинематическая структура необходима лишь для произведения ориентирования и точного позиционирования элемента. При выполнении транспортных операций по доставке элементов в зону монтажа вполне приемлема структура с гибким подвесом траверсы.
Принципы построения и структурная организация роботизированных монтажных комплексов
Роботизация технологических процессов на строительных площадках проводится с учетом большого числа разнообразных требований: технологических, конструктивных, эргономических, эксплуатационных, социальных и экономических. Эффективность роботизации в первую очередь определяется, насколько полно учтены технологические требования, формируемые е результате анализа технологии выполнения отдельных операций. В ходе анализа определяются состав и временные параметры строительных операций, расположение оборудования в зоне обслуживания и его конструктивно-технологические характеристики, порядок взаимодействия роботов и технологического оборудования, а также технические показатели объектов или процессов роботизации. Эта информация позволяет сформулировать объективные требования к содержанию манипуляционных действий, параметрам зоны обслуживания, статическим и динамическим нагрузкам на рабочие органы манипуляторов, быстродействию и точности позиционирования, особенностям взаимодействия рабочего органа с объектом роботизации. Технологические требования также служат основанием для определения ряда технических характеристик строительных роботов: числа степеней подвижности; структурных и кинематических схем; грузоподъемности; усилий захвата; скорости перемещения рабочего органа; погрешности позиционирования. При разработке строительных РТК в состав технологических требований следует включать пункты по модернизации и переводу технологического оборудования на автоматическое управление.
Важную роль при роботизации строительных процессов играют конструктивные требования, устанавливаемые совокупностью условий, нормативов и рекомендаций для номенклатуры основных параметров, компоновочных и конструктивных решений показателей надежности и долговечности. Эти требования позволяют обеспечить соответствие средств роботизации современному уровню развития робототехники и технологии строительного производства, их унификацию и стандартизацию, удобство технического обслуживания, необходимую степень устойчивости и подвижности оборудования, необходимый уровень ремонтопригодности.
В соответствии с конструктивными требованиями при роботизации строительного производства необходимо максимально использовать разработанные ранее технические решения, а также агрегатно-модульныи принцип построения. Разработку и проектирование средств строительной робототехники следует выполнять в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами, строительными нормами и правилами, а также с учетом технических условий на конкретные модели манипуляторов и роботов. Значения параметров должны выбираться исходя из технологических требований и типоразмерных рядов, установленных стандартами. Грузоподъемность средств роботизации должна не менее чем на 10% превышать предельную массу объекта манипулирования с технологической оснасткой и учитывать действия ветровой нагрузки. Окончательное значение грузоподъемности манипулятора должно соответствовать типоразмериому ряду (ГОСТ 25204-82), а основные показатели линейных и угловых перемещений и абсолютной погрешности позиционирования должны отвечать ГОСТ 26050-89. Номинальные скорости перемещения рабочего органа определяется технологическими требованиями или производительностью работы оборудования. Основные параметры составных частей строительных роботов должны удовлетворять требованиям стандартов, перечисленных в табл. 1.2. Робототехнические устройства, внедряемые в строительное производство, должны иметь не только необходимые технические показатели, но и удовлетворять основным эргономическим требованиям, которые обеспечивают целесообразное распределение функций и удобство взаимодействия человека-оператора и системы управления, а также безопасность условий труда. Эргономические требования формируются в соответствии с ГОСТ 22269-76. Больше внимания при создании средств строительной робототехники следует уделять обеспечению нормальных условий обзора оператора при работе оборудования.
Особое значение в строительной робототехнике отводится удовлетворению эксплуатационных требований, которые учитывают условия работы оборудования, удобство монтажа, наладки, ремонта и транспортировки, требования техники безопасности. Сложные условия строительной площадки выдвигают повышенные требования к воздействию внешней среды. Они должны отвечать требуемым условиям запыленности, влажности, виброустойчивости, температурного диапазона. Особое внимание необходимо следует уделять защите систем управления от воздействия окружающей среды. Конструкция окрасочных роботов должна обеспечивать надежную работу в условиях мелкодисперсной аэрозольной среды, образованной при распылении лакокрасочных и малярных составов.
Температурный диапазон работы роботов и манипуляторов, предназначенных для использования на строительных площадках, выбирается в соответствии со строительными нормами и правилами на производство определенного вида работ. Робототехнические устройства обыкновенного исполнения могут работать в условиях вибрации с амплитудой не более 0,1 мм и частотой до 25 Гц. При повышенных уровнях вибрации они должны изготовляться в виброустойчивом исполнении. Требования на показатели надежности устанавливают в соответствии с ГОСТ 27.003-90, а также строительными нормами. К робототехническим устройствам предъявляются жесткие требования по безопасности обслуживания.
Математические модели бетоноукладочных роботов
Отделочные работы отличаются большой трудоемкостью (35% от всех трудозатрат), значительных разнообразием и требуют применения специализированных роботов [152, 153]. В данной работе рассматривается решение проблем роботизации двух видов отделочных работ; малярных и бетоноукладочных, которые отличаются большой трудоемкостью и значительными объемами. Кроме того, эти виды работ достаточно механизированы, что позволяет решать задачи создания РТК для их выполнения.
На основе анализа технологии малярных работ и требований к их механизации и автоматизации установлено, что для выполнения строительных операций по нанесению окрасочных составов необходимо не менее 4-х типовых структурных решений манипуляционных систем, предназначенных для работы внутри помещений и для окрашивания наружных стен зданий [51. Одна из них должна обеспечить выполнение малярных работ внутри помещений жилых зданий. Основное требование к этой структуре - компактность, обеспечивающая работу робота внутри малых помещений (от 6 м ) с высотой потолков до 3,5 м. Для грунтовки и окрашивания стен и потолков таких помещений целесообразно использовать структурную схему 1 (табл. 2.3), которая отличается компактностью в рабочем и транспортном положении.
При длине звеньев 1,0-1,5 м эта структура обеспечивает окрашивание помещений с высотой потолков до 4,0 м. Перемещение манипулятора обеспечивается транспортной платформой. Особенностью этой структуры является перпендикулярное расположение второй оси (ф2) относительно рабочей плоскости. Перемещение S[ является позиционным и обеспечивает установку манипулятора на требуемую высоту, определяемую высотой помещения.
Проведенный структурно-кинематический и силовой анализ манипулятора показал, что для управления им при сбалансированной компоновке требуются привода небольшой мощности (2СМ0 Вт), расположение оси вращения ф[ относительно пола должно составлять 0,4-0,5 h (h - высота помещения), а соотношение длин звеньев должно удовлетворять условию: /, = l2 + /3. Для отделочнвіх работ внутри помещений с высотой потолков более 4 м предназначена структурная схема 2 (табл. 2.3) [11]. Основой манипулятора является телескопическая штанга, которая в процессе работы распирается между полом и потолком. Манипулятор, установленный на штанге, может передвигаться вдоль нее на заданный уровень. Структура манипулятора позволяет задавать рабочему органа горизонтальное и вертикальное положения. Манипулятор имеет 5 основных управляемых степеней подвижности и і установочную степень подвижности для предварительного задания зоны окрашивания. Такой манипулятор позволяет проводить окрашивание не только стен, но и потолков. Использование пяти степеней подвижности при траек-торном управлении позволяет в процессе работы поддерживать сопло инструмента перпендикулярно стене в любой точке зоны обслуживания. Силовой анализ структурной схемы 2 показал, что при длине переносных звеньев 1,2м
Для выполнения окрасочных работ на лестничных площадках предлагается структурная схема переносного манипулятора (рис. 2.12), который может быть установлен на треноге и позволяет производить окраску в труднодоступных местах. Сравнение последней структуры манипулятора с решениями, описанными в [28, 34] показало ее бесспорные преимущества. При коэффициенте сложности Ъ=Ь данная структура имеет наилучшую маневренность и манипул ятивн ость. Основное преимущества данной структуры большое соотношение объемов зоны обслуживания и объема, занимаемого в транспортном положении. Положение точки крепления рабочего инстру мента в базовой системе координатXQY0Z0 связано с обобщенными координатами манипулятора соотношениями: х — (i6(cos ср: cos((p4 + ф5)-5Іпф1 cos(cp2 +(p3)sin(cp4 + ф5)) + (2.12) + ((/4 +/5)sin(92 + 93) + /3sin(p2)sin(p]; у = d6(sil1 Pi соэ(ф4 + ф5) + акф! cos(92 + ф3)8Іп((р4 + ф5) - ((/4 + /5)sin(92 + фз) + /3 БІпф соБф,; Zp = СІ( БІп(ф2 + фз)8Іп(ф4 + ф5) + (/4 + /5)с05(ф3 + ф3) + С08ф2/3 + /, + Іг
В результате проведенного исследования габаритных размеров лестничных площадок и анализа технологии их отделки определены рекомендуемые пределы изменения обобщенных координат манипулятора: -160 ф, 160 ; -135 ф2 135; -50 щ 50; -120" ф4 50"-120 % 120. Исследование процесса отработки типовых прямолинейных траекторий движения показали, что рассматриваемая структура обеспечивает плавный характер изменения обобщенных координат и скоростей (рис.2. 13), что позволяет обеспечить необходимую погрешность в различных точках траектории.
Роботизация процессов очистки и окрашивания наружных стен зданий может быть решена на основе двух типовых структурных решений. Одно из них должно обеспечить построение окрасочнвтх манипуляторов, предназначенных для выполнения работ на объектах высотой до 10-12 м.
Планирование установочных траекторий движений монтажных роботов с оптимизацией скорости
Особенностью строительной робототехнике является необходимость аналитического задания траекторий движения, так как в условиях строительной площадки это в большинстве случаев невозможно или вызывает значительные трудности. В большинстве случаев траектории движения монтажных, отделочных, бетоноукладочных и других роботов представляют сложные пространственные траектории, состоящие из прямолинейных участков, сопрягающих дуг окружностей или сглаженных криволинейных участков [100]. Таким образом, любая сложная траектория движения представляется в виде последовательности типовых элементарных участков, для которых в составе программного обеспечения роботов включаются типовые планирующие алгоритмы движения. В связи с этим в первую очередь рассмотрим решение задачи построения каркаса траектории движения строительных роботов. Роботизация мошажных операций связана с построением траектории перемещения детали в зону монтажа, при этом должны учитываться изменения положения механизмов и состояния окружающей среды в зоне монтажа. Для исключения аварийных ситуаций при проектировании траектории транспортирования деталей необходимо учитывать форму, габаритные размеры и инерционные свойства конструкции, габариты монтажной зоны, ветровые нагрузки. Анализ технологии выполнения монтажных работ показывает, что наиболее целесообразно использовать траектории движения, состоящие из нескольких прямолинейных участков (рис.4.1.), включающих вертикальный подъем детали на заданную высоту, ее горизонтальное перемещение по прямой в точку позиционирования и вертикальное опускание детали в процессе установки. На высоких и протяженных объектах транспортирование деталей может выполняться по наклонной траектории, которая формируется после вертикального подъема детали из кассеты. Таким образом, траектория движения монтажного робота в общем случае может быть разделена на 4 участка, каждый из которых соответствует определенному виду операций: вертикальный подъем изделия (Рп Р:); прямолинейное перемещение в заданную зону (Р] - Р2У, горизонтальное перемещение в месту установки (Р., - Р3); ориентирование и установка в проектное положение (Р3 - Р4) [102]. При построении траектории движения между Рис. 4.1. Траектории транспортирования конструкции в зону монтажа участками 1-2 и 2-3 располагаются сопрягающие дуги, обеспечивающие плавный переход с одного участка траектории на другой. Точки траектории задаются в системе координат здания с помощью матрицы Sr, каждый столбец которой содержит координаты точек Р1 и углы, описывающие ориентацию схвата в каждой точке:
Точность задания значений положения составляет ±(0.5-1) мм, а точность ориентирующих углов - не более 2 угл. мин.
В процессе решения задачи планирования кроме задания опорных точек для каждого участка траектории определяются технологические скорости. Операция подъема обычно выполняется на средних скоростях vb а транспортирование на 2 и 3 участках ведется на максимальных скоростях v2, V3, которые ограничиваются массой груза и его габаритами. На последнем участке, где выполняются установочные операции, требующие повышенной точности позиционирования, скорость движения v4 детали выбирается пониженной. При планировании движения составляется матрица скоростей VT:
Первый и последний столбцы матрицы составляются па основании технологических требований подъема и опускания монтируемой конструкции. Прежде чем переносить конструкцию в зону монтажа ее следует приподнять над приспособлением или платформой строго вертикально без кручения. Установка конструкции в заданное положение также выполняется без изменения углов ориентации, путем вертикальной посадки.
Аналитическое описание участков траектории имеет вид: -1-йучасток: х = х0 = const, y = yQ const, z0 z z} PQ P(x,y,z) Pl; Для удобства работы планирующих алгоритмов на базе матрицы ST, описывающей узловые точки траектории движения, записываются матрицы преобразования Т} для каждой из них. При этом следует из системы координат здания перейти в систему координат крана-манипулятора. Эти преобразования могут быть выполнены на основе следующих преобразований. Вектор положения матрицы Т может быть получен на основе первых трех эле ментов І-го столбца матрицы ST в виде:
