Содержание к диссертации
Введение
Анализ конструкций, методов исследования и управления манипуляторами последовательной и параллельной кинематической структуры 10
1.1 Обзор и анализ конструкций подъемно-транспортного оборудования, традиционно применяемого для перемещения грузов 10
1.2 Обзор и анализ манипуляторов с параллельной кинематической структуры с гибкими звеньями 22
1.3 Критический анализ современного оборудования применяемого для перемещения грузов различного назначения в пространстве рабочей зоны41
1.4 Выводы 44
2 Кинетостатический анализ манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями 45
2.1 Основные кинетостатические особенности параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями 45
2.2 Исследование рабочей зоны параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями 55
2.3 Решение задачи планирования траектории перемещения схвата манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями 63
2.4 Выводы 76
3 Методы планирования траектории перемещения схвата и оценка динамических параметров параллельно-последовательного манипулятора 77
3.1 Исследование эффективности методов планирования траектории схвата манипулятора параллельно-последовательной кинематической структуры 77
3.2 Оценка динамических параметров манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями 86
3.3 Выводы 98
4 Разработка и экспериментальные исследования опытного макета параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями 100
4.1 Конструкция опытного макета параллельно-последовательного манипулятора 100
4.2 Синтез системы управления параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями 103
4.3 Разработка программно-аппаратного комплекса подсистемы планирования траектории 112
4.4 Разработка САР положения звена манипулятора 122
4.5 Экспериментальное исследование статических нагрузок в звеньях опытного макета параллельно-последовательного манипулятора 129
4.6 Выводы 133
Заключение 135
Перечень литературных источников 137
- Обзор и анализ манипуляторов с параллельной кинематической структуры с гибкими звеньями
- Исследование рабочей зоны параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями
- Оценка динамических параметров манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями
- Разработка программно-аппаратного комплекса подсистемы планирования траектории
Обзор и анализ манипуляторов с параллельной кинематической структуры с гибкими звеньями
Как видно из рисунка 1.6, однобалочный подвесной мостовой кран состоит из балки 1, выполненной из двутаврового профиля, по которой в горизонтальной плоскости свободно перемещается электроталь 2. Балка 1 с двух сторон закрепляется на тележке 4, которая свободно перемещается на колесах по монорельсовому крановому пути 3. С учётом того, что точка опоры располагается ниже плоскости движения подвесного крана, такой кран может использовать в работе всю полезную территорию погрузочно-разгрузочного помещения, в том числе труднодоступные части (например, вдоль стен). Это делает подвесные краны более универсальными и эффективными в эксплуатации, чем краны опорные. Подвесные краны можно применять в замкнутом пространстве, в малогабаритных помещениях (в отличие от опорных кранов, к этому не приспособленных). Более того, площадь применения подвесных кранов можно расширить дополнительными консольными участками, поскольку конструктивные особенности этих устройств позволяют осуществлять такое расширение. К тому же подвесные краны легче и компактнее, чем краны опорные. Однако зачастую для повышения надёжности конструкции подвесных кранов требуется наличие добавочных опор. Иногда при конструировании подвесного крана пролётную балку снабжают дополнительным горизонтальным или вертикальным приспособлением. Также подвесные краны могут потребовать наличия усиленных перекрытий в здании, поскольку их подвесные пути базируются на фермах помещения. Для непосредственного подъёма груза или перемещения его в горизонтальном направлении в подвесных кранах используют тали – подвесные устройства с электрическим или ручным приводом. Скорость и грузоподъёмность крана определяются свойствами применяемой в нём тали. Обычно грузоподъемность подвесных мостовых кранов не превышает 20 тонн.
Для обеспечения большей грузоподъемности (до 100 тонн) при выполнении погрузочно-разгрузочных операций применяют опорные мостовые краны. Рассмотрим типовую конструкцию однобалочного мостового опорного крана, представленного на рисунке 1.7.
Как видно из рисунка 1.7, однобалочный опорный мостовой кран состоит из балки 1, по которой в горизонтальной плоскости перемещается электроталь 2. Как и в конструкции однобалочного подвесного крана для перемещения балки 1 используется монорельсовый крановый путь 4, но тележка 3 перемещается над рельсами, что обеспечивает более высокую грузоподъемность.
Использование опорных кранов позволяет достичь большей продуктивности в работе, чем использование кранов подвесных, кроме того, первые устройства являются более надёжными и устойчивыми к износу, чем вторые. Однако следует упомянуть и недостаток опорных кранов, каковым является их меньшая универсальность в применении. Эти механизмы целесообразно использовать в монтажных и подъёмно-транспортных работах в промышленных складах, производственных цехах или на площадках под укреплёнными навесами – иными словами, в крупногабаритных помещениях. Для работ в небольших зданиях и помещениях следует использовать краны мостовые подвесные, которые являются менее громоздкими и более лёгкими, чем опорные.
Мировыми лидерами по производству мостовых кранов различного типа и назначения являются: Street [94], Лемменс, [85] D Cranes [88], Demag [89] и другие. Общим недостатком вышерассмотренного оборудования, применяемого для осуществления погрузочно-разгрузочных операций, является отсутствие мобильности. Другими словами такое оборудование устанавливается только в специально отведенном месте и способно обслуживать только определенную ограниченную зону. Для того чтобы поменять месторасположение такого кранового оборудования необходим длительный цикл затратных и длительных монтажно-демонтажных работ. Для устранения такого недостатка применяют манипуляционное оборудование. Конструкции манипуляторов разнообразны, поэтому рассмотрим наиболее часто применяемые на складах, а также погрузочно-разгрузочных пунктах. Для обслуживания небольших производственных и складских помещений, а также уличных погрузочно-разгрузочных площадках, используются козловые краны-манипуляторы [55]. На рисунке 1.8 представлена типовая конструкция разборного крана-манипулятора.
Как видно, манипулятор состоит из балки 1, выполненной из двутаврового профиля, по которой свободно перемещается электроталь 2. Балка 1 удерживается двумя вертикальными опорами 3, способными перемещаться на четырех полиамидных поворотных колесах 4 по гладкой поверхности (пол асфальтированная дорожка и т.д.).
Манипуляторы чаще всего выполняются с регулируемыми параметрами, такими как высота, длина, ширина, что позволяет модифицировать их согласно условиям эксплуатации и относительно рабочего пространства. К основным преимуществам манипулятора данного типа можно отнести: быстрый монтаж/демонтаж, легкость конструкции, возможность регулировки по высоте и ширине, отсутствие необходимости применения специального рельсового пути, а также возможность обслуживание одним человеком.
Как известно, эффективность работы современного подъемно-транспортного оборудования зависит от многих параметров, ключевым из которых является энергоемкость. В данном случае под энергоемкостью следует понимать отношение величины потребления энергии к весу перемещаемого груза. Очевидно, что энергоемкость напрямую зависит от металлоемкости конструкции погрузочно-разгрузочного оборудования. Таким образом, для увеличения эффективности цикла погрузочно-21 разгрузочных, а также складских операций, необходимо применять меры по снижению металлоемкости конструкции оборудования.
Расточительство в машиностроении является характерной чертой многих мировых производителей. Например, у современного берегового контейнерного перегружателя фирмы Kone масса спредера приближается к средней массе контейнера с грузом и расход энергии на подъем и перемещение такого захватного устройства за рабочий цикл в 1,4 раза превышает расход энергии на перемещение груженого контейнера, а с учетом перемещения грузовой тележки — более, чем в 6 раз. Данная проблема присуща и другим типам погрузочно-разгрузочного оборудования от различных фирм производителей, решение которой возможно только путем изменения кинематической структуры и принципа функционирования манипуляционного оборудования.
Исследование рабочей зоны параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями
Данный график был получен при следующих входных параметрах модели: графика, полученные координаты образуют воронкообразную поверхность, за границами которой находится зона физически не доступная для СБ, напротив, зона, расположенная внутри поверхности полностью доступна для СБ. Другими словами, в любой точке зоны, расположенной внутри поверхности, выполняется баланс сил с физическим ограничением (2.3), а за границами воронкообразной поверхности одна из сил натяжения отрицательна.
Рассмотрим случай, при котором . При этом определим входные параметры разработанной компьютерной модели следующим образом
Как видно из графика, зона возможных перемещений СБ параллельно последовательного манипулятора для случая различных по высоте колонн отличается от зоны, рассмотренной в предыдущем примере, наличием асимметричности относительно центра плоскости . Это позволяет сделать вывод о том, что параметры предложенной структуры манипулятора зависят от его конфигурации (расстояния между колоннами и их взаимного расположения, высоты колонн и т.д.).
Таким образом, кинетостатический анализ сил натяжения гибких звеньев предлагаемого манипулятора позволил выявить физически недоступную на заданной высоте СБ зону, что свидетельствует о неприменимости классических методов кинематики [41] для математического описания движения звеньев манипулятора данного класса. Данное утверждение требует принципиально новых подходов для дальнейшего исследования свойств предложенной схемы манипулятора. Следует отметить, что ограничение зоны перемещения СБ не ограничивает зону перемещения схвата, так изменение высоты подвеса груза осуществляется независимо от изменения высоты подъема СБ.
В большинстве случаев величина рабочей зоны является одним из ключевых параметров, позволяющих определить области возможного применения того или иного манипуляционного оборудования [41]. Данный параметр определяется кинематическими ограничениями механической части оборудования и технологическими возможностями при его производстве.
Теоретический объем рабочей зоны предлагаемого манипулятора, который равен объему, заключенному между его колоннами, отличается от физически достижимого объема рабочей зоны. Это связано с тем, что силы натяжения, возникающие в результате действия веса перемещаемого объекта, всегда ограничены предельно допустимой нагрузкой на материал изготовления звеньев манипулятора, обладающий определенными параметрами.
Для исследования величины практически достижимой рабочей зоны в статическом режиме определим характер зависимости сил натяжения в гибких звеньях манипулятора от расположения СБ (см. рисунок 2.1) в пространстве, ограниченном колоннами , ,
Для этого в среде MATLAB, в соответствии с рекомендациями [38, 39], была реализована компьютерная модель, позволяющая получить графическую зависимость сил натяжения параллельных звеньев манипулятора, удерживающих СБ, от ее расположения в пространстве. Разработанная компьютерная модель работает в соответствии с алгоритмом, приведенном на рисунке 2.6. Как видно из рисунка 2.6, алгоритм состоит из трех вложенных циклов, в которых осуществляется перебор координат , , точки соединения параллельных звеньев манипулятора в объеме, ограниченном значениями , , , с шагом - для координаты , - для координаты и - для координаты . Во внутреннем вложенном цикле, осуществляющим перебор значений координаты , выполняется расчет длин гибких звеньев , , , , и , значений синусов и косинусов углов, а также производится численное решение систем нелинейных уравнений (2.4), (2.5). В том случае, когда корни уравнения (2.4) и (2.5) не отрицательны, внутренний вложенный цикл прерывается, и выводятся значения рассчитанных сил натяжения звеньев , , , . После вывода координат СБ осуществляется переход в цикл перебора значений координаты . Работа алгоритма заканчивается при достижении координаты значения
Оценка динамических параметров манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями
Изменение положения точки соединения параллельных звеньев в плоскости может осуществляться только при помощи изменения длин гибких звеньев , , , , а изменение высоты подъема груза может быть выполнено посредством изменения длины последовательного звена , условно разделенной на четыре участка , , и . Будем также считать, что . Для осуществления равномерного прямолинейного движения груза из точки в точку со скоростью необходимо решить обратную кинематическую задачу по положению и скорости. Решение обратной задачи кинематики для предлагаемой структуры манипулятора рассматривалось в начале данной главы. Так как и , то решение обратной задачи по положению для СБ можно представить в следующем виде: (2.12) где - высота плоскости , в которой перемещается СБ. Пятую обобщенную координату, осуществляющую изменение высоты подъема груза можно определить из следующего соотношения:
В том случае, когда выполняется линейная интерполяция траектории, заданной двумя точками и в пространстве и ведущей является координата , то ведомые координаты и могут быть вычислены по следующим уравнениям, аналогичным приведённым в [6] и [7]: , (2.16) где . Если ведущей является координата , то ведомые координаты и могут быть вычислены следующим образом: , (2.17) где . По аналогии с (2.16) и (2.17), если ведущей является координата , то ведомые координаты и можно найти из уравнений: (2.18) где . Подставив (2.16) в (2.12), получим закон изменения обобщенных координат , , и вдоль линейной траектории, заданной двумя точками и в пространстве:
Для определения обобщенных скоростей , , , рассмотрим рисунок 2.13. Как видно, упрощенная схема параллельно-последовательного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения представлена в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и . Точками и заданна линейная траектории перемещения груза. Так как СБ перемещается только в плоскости , находящейся на высоте , то заменив на и на , получим начальную и конечную точки, при помощи которых задана линейная траектория перемещения СБ. Для наглядности координаты точек и на рисунке 2.13 совпадают, хотя в общем случае траектория перемещения груза должна быть заданная таким образом, чтобы и , так как зона расположенная выше считается недоступной для СБ и тем более груза. Предположим, что точка соединения параллельных звеньев перемещается с постоянной скоростью от точки в точку по линейной траектории. Определить скорости изменения длин звеньев в этом случае можно с использование методов векторного анализа и аналитической геометрии [6], [26]: , (2.23) где , , и - углы между проекцией направляющего вектора на плоскость и проекциями направляющих векторов , , , на плоскость соответственно, , , и - углы между проекцией направляющего вектора на плоскость и проекциями направляющих векторов координаты точек установки вертикальных колонн, , - текущие координаты точки соединения параллельных звеньев .
Определим обобщенную скорость последовательного звена манипулятора, для этого рассмотрим рисунок 2.14. Как видно, последовательное звено манипулятора представлено в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, плоскости и плоскости . Как и в предыдущем случае, предполагается, что хват перемещается с постоянной скоростью вдоль линейной траектории, заданной двумя точками в пространстве, точкой и точкой . Следует также учитывать, что СБ может перемещаться только в плоскости , находящейся на высоте . Координаты проекции направляющего вектора на плоскость определим как:
Разработка программно-аппаратного комплекса подсистемы планирования траектории
Следует обратить внимание на то, что получение цифровых данных в рассматриваемом случае осуществляется одновременно от всех сервоприводов исполнительной подсистемы без непосредственного участия микроконтроллера.
После заполнения всей матрицы сдвиговых регистров (первый столбец будет содержать текущие параметры звена 1 манипулятора, второй столбец -параметры звена 2 и т.д.) микроконтроллер может осуществить выгрузку данных из матрицы при помощи набора СР1, СР2, СР3, СР4, СР5. В этом случает выгрузка осуществляется с высокой скоростью, синхронно сигналу на линии clk1, генерируемого микроконтроллером с частотой, близкой к системной (70 МГц при использовании микроконтроллера STM32F103RB). При этом время чтение данные из регистров составляет не более 0,6 микросекунд.
В случае передачи управляющих воздействий на сервоприводы исполнительной подсистемы микроконтроллер, формируя необходимые сигналы на шинах управления сдвиговых регистрах осуществляет загрузку управляющих байтов данных в матрицу. При этом направление работы регистров сдвига реверсируется. После чего модули UARTn ПЛИС осуществляют одновременную передачу данных исполнительной подсистеме.
Таким образом, применение ПЛИС позволило решить задачу распараллеливания информационных и управляющих потов данных с минимальным участием микроконтроллера. Для рассмотренного варианта построения подсистемы планирования траектории время опроса определяется по формуле:
При скорости приемопередачи по интерфейсу RS485 - 115200 бит/с, время опроса составляет около 1 миллисекунды, что в 5 раз меньше, чем при использовании одного микроконтроллера. Следует также отметить, что в случае применения ПЛИС в задаче распараллеливания информационно управляющих потоков данных, передача управляющих воздействий осуществляется синхронно каждому сервоприводу исполнительной подсистемы. Это позволяет также существенно повысить точность решения задачи контурного управления схватом параллельно-последовательного манипулятора. При реализации подсистемы планирования траектории на опытном макете предпочтение отдано второму предложенному варианту реализации (на базе микроконтроллера и ПЛИС).
Микроконтроллер реализует алгоритм, представленный на рисунке 4.16. При включении питания или активации глобального сигнала сброса микроконтроллера программа попадает в цикл (блок 1 на рисунке 4.16) ожидания команды выбора режима работы от управляющего ПК подсистемы взаимодействия с оператором. После поступления данной команды цикл прерывается и программа переходит на вход конечного автомата (блоки 2,3,6), который в зависимости от кода команды осуществляет переход к необходимой подпрограмме.
В том случае, когда выбрана подпрограмма, реализующая режим независимого управления звеньями манипулятора (режим управления обобщенными координатами), осуществляется переход от блока 6 к блоку 12. Данный блок реализует цикл, выполняющийся до тех пор, пока от управляющего ПК подсистемы взаимодействия с оператором не поступит задание в соответствии с протоколом, рассмотренном ранее на рисунке 4.8, а.
Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера, входящего в состав подсистемы планирования траектории
С поступлением кадра задания от управляющего ПК, цикл, который реализует блок 12, прерывается и осуществляется переход к блоку 15.
Следует обратить внимание на то, что цикл также может прервать команда выхода из текущего режима, при этом программа оказывается в точке первоначального входа. Блок 15 реализует передачу управляющих воздействий исполнительной подсистеме в соответствии в протоколом, представленном на рисунке 4.8,б, посредством ПЛИС. Далее микроконтроллер считывает данные из матрицы сдвиговых регистров ПЛИС. Данную процедуру реализует блок 18, после чего осуществляется вызов процедуры передачи параметров звеньев информационному ПК (ИПК), реализуемой блоком 21. В том случае если заданная длина звеньев (или звена) не была достигнута, осуществляется переход к блоку 15, в противном случае выполняется переход к блоку 9 с дальнейшим ожиданием действий оператора (выход из текущего режима или ожидание очередного задания).
В том случае, когда выбрана подпрограмма, реализующая режим автоматического перемещения схвата в заданную точку пространства, осуществляется переход от блока 2 к блоку 7. Блок 7 реализует цикл, выполняющийся до тех пор, пока от управляющего ПК не поступят данные в соответствии с протоколом, рассмотренном на рисунке 4.10. При поступлении задания оператора осуществляется переход к процедуре чтения данных из матрицы сдвиговых регистров ПЛИС (блок 10 алгоритма), после чего прочитанные параметры передаются по интерфейсу RS232 ИПК подсистемы взаимодействия с оператором. В том случае, если заданное положение схвата не достигнуто, вызывается подпрограмма расчета текущего положения схвата манипулятора (блок 19 алгоритма), реализующая решение прямой задачи кинематики, в противном случае осуществляется переход к циклу ожидания задания оператора. В блоке 22 алгоритма выполняется процедура выбора ведущей координаты и величины приращения по ней, после чего выполняется переход к блоку 25. В данном блоке алгоритма происходит расчет длин и скоростей звеньев манипулятора на основании решения обратной кинематической задачи, после чего выполняется передача сформированного задания на САР звеньев. После обработки процедуры, реализуемой блоком 27, осуществляется переход к блоку 10 и так далее пока заданное положение схвата манипулятора не будет достигнуто
