Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности и перспективы применения роботизированных систем на основе подвесных многостепенных платформ 17
1.1. Специфика робототехнических систем на основе подвесных платформ 17
1.2. Схемы шестистепенных механизмов робототехнических систем параллельной структуры 19
1.3. Классификация робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ 26
1.4. Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в погрузо-разгрузочных работах 28
1.5. Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ при контроле и наблюдении 30
1.6. Возможности применения робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в театре 34
1.7. Возможности применения робототехнических систем параллельной структуры при использовании аэростатических
или гидростатических подъемных сил 35
1.8. Задачи исследования в данной диссертации 37
Выводы по главе 1 38
Глава 2. Структура, схемы и математические модели робототехнических систем с механизмами параллельной структуры 40
2.1. Механизмы параллельной структуры в робототехнике 40
2.2. Требования к манипулированию и выбор схем подвешивания 43
2.3. Геометрия и кинематика подвижных платформ. Метод /-координат 49
2.4. Метод составления геометрических соотношений при произвольном расположении точек закрепления тросов на платформе 51
Выводы по главе 2 55
Глава 3. Рабочие зоны робототехнических систем на подвесных платформах 57
3.1. Область возможных положений платформы и ее сечения 57
3.2. Особые положения многостепенных платформ 61
3.3. Условия сохранения натяжения всех тросов подвеса и ограничения области возможных положений платформы 64
3.4 Общая методика определения области возможных положений платформы 67
3.5. Задачи динамики подвесных многостепенных платформ 73
3.6. Задачи расчета ошибок позиционирования (параметров положения)
платформы 76
3.7. Учет влияния сил веса тросов на область возможных положений 78
3.8. Точное и приближенные решения задачи о провисании троса 82
Выводы по главе 3 85
Глава 4. Схемы подвеса многостепенных платформ робототехнических систем 87
4.1. Геометрия рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения опор для лебедок и конфигурация рабочей зоны 88
4.2. Общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ 89
4.3. Ортогонализованные системы подвешивания платформы 92
4.4. Плоские (двумерные) системы подвешивания платформы 102
4.5. Трехмерные схемы, близкие к осесимметричным 105
4.6. Схемы с размещением нескольких лебедок над рабочей зоной 106
4.7. Комбинированные параллельно-последовательные схемы 108
Выводы по главе 4 111
Глава 5. Управление движением платформы: программы, ошибки позиционирования и ориентирования и их компенсация 113
5.1. Программы управления положением и структура систем управления 114
5.2. Позиционные датчики обратных связей в замкнутых системах управления движением платформ на подвесах 117
5.3. Датчики усилий натяжения тросов в системах управления движением платформ на подвесах 120
5.4. Учет способов установки лебедок 122
5.5. Реализация, испытания макета 123
Заключение 127
Публикации автора по теме диссертации 130
Список использованной литературы
- Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в погрузо-разгрузочных работах
- Требования к манипулированию и выбор схем подвешивания
- Условия сохранения натяжения всех тросов подвеса и ограничения области возможных положений платформы
- Общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ
Введение к работе
При возникновении робототехники как науки в семидесятых годах
считалось, что основными сферами массового применения роботов будут об
служивание технологического оборудования, самостоятельное выполнение
некоторых технологических операций (сварки, окраски), работа в экстре
мальных условиях (под водой, в космосе, в условиях сильной радиации или
высокой химической концентрации вредных веществ). За три десятилетия
развития робототехники выяснилось, что разнообразие роботов, классифици
руемых по назначению, характерным признакам принципиального, схемного
Ф и конструктивного решений, оказалось очень широким, что лишь отчасти от-
ражено в монографической и учебной литературе [11, 12, 18, 19, 21, 47, 57, 68, 74, 86, 87, 88, 101, ПО]. Отношение к робототехнике существенно изменилось. Если раньше, например, во второй половине семидесятых - в начале восьмидесятых годов полагали, что манипуляционные роботы должны внедряться массово на производстве, и это даст большой народнохозяйственный эффект, то теперь значительное внимание уделяется разработкам для нетрадиционных сфер применения, причем часто непосредственный экономический эффект отходит на второй план, а основными становятся иные сообра-
жения.
Параллельно со значительным расширением сфер применения и разнообразием назначения происходит увеличение многообразия схемных решений механизмов роботов. Раньше большинство манипуляторов манипуля-ционных роботов имело незамкнутые кинематические цепи, т.е. имело механизмы последовательной структуры. Робототехника начиналась с имитации механизма руки человека с вращательными кинематическими парами, соединяющими жесткие звенья. Теперь все более широкое применение находят
* роботы с механизмами параллельной и комбинированной структур. Меха-
низмы с параллельными кинематическими цепями (механизмы параллельной
структуры, их наиболее известным представителем является так называемая
платформа Стюарта), отличаются тем, что у любого из них выходное звено
соединяется с неподвижным основанием через систему звеньев переменной
длины, обладают рядом важных достоинств, таких как высокая жесткость,
надежность, компактность. Платформа Стюарта является объектом многих
научных исследований [2, 3, 4, 26, 27, 28, 32, 33, 34, 65, 90, 97, 100, 102].
Имеются определенные достижения и на практике. Известны примеры удач
ных конструкций станков, стендов и другого оборудования различного на
значения, построенных на механизмах параллельной структуры. Однако как
недостатки следует отметить малость рабочей зоны по сравнению с общими
ф габаритами, сложность управления манипуляторами переменной структуры и
недостаточную проработанность методик, которые позволяли бы получать как оптимальные варианты конструкций, так и наиболее подходящие алгоритмы автоматического или автоматизированного управления приводами.
Недостаточная глубина исследования механики манипуляторов с параллельными кинематическими цепями объясняется высокой сложностью и, в общем случае, неоднозначностью аналитического решения обратной задачи геометрии и кинематики. Однако, уровень развития компьютерных технологий на сегодняшний день, позволяет применять эффективные численные ме-
# тоды, для решения многих задач расчета и оптимизации при проектировании
манипуляторов данного типа. В связи с этим особую актуальность приобре
тает задача исследования возможности оптимизации геометрических, кине
матических, силовых и динамических параметров роботов, имеющих мани
пуляторы с механизмами параллельной структуры, и разработать научные
основы методик их расчета и проектирования.
Один из аспектов расширения многообразия принципиальных и схемных решений механизмов манипуляторов связан с применением гибких
звеньев. Гибкие звенья могут иметь самые различные свойства. Например,
были попытки использовать гибкие упругие элементы, так что механизм как
бы имитировал гибкий хобот. Однако подобные механизмы не приспособлены для использования в манипуляторах параллельной структуры.
В данной диссертации объектами исследования являются роботы с ме
ханизмами параллельной структуры, у которых выходное звено (платформа)
подвешена на тросах. Подвешивание на одном или на нескольких параллель
ных тросах широко применялось и продолжает применяться в подъемно-
транспортном оборудовании [1, 20]. В данной диссертации прорабатывается
новый способ подвешивания различных объектов на системе непараллель
ных тросов так, что у подвешенного объекта отнимается по возможности
большее число степеней свободы, имеется в виду, что каждый трос, если он
Ф натянут, у подвешенного объекта отнимает одну степень свободы. Подвеши-
вание на трех тросах управляемой длины позволяет задавать требуемое положение одной точки объекта, для задания угловой ориентации необходимо использовать другие тросы или иные средства. Подвешивание на шести тросах при правильном их расположении, когда обеспечивается их натяжение, в принципе достаточно для возможности задания требуемых значений всем шести параметрам, полностью определяющим поступательные и угловые перемещения объекта. Этот принцип однозначного задания на подвесе всех параметров позиционирования и углового ориентирования был предложен и
предварительно проработан применительно к театральной машинерии науч
ным руководителем данной диссертации доцентом А.Н.Волковым, основные
результаты этих исследований изложены в серии работ [26, 27, 28, 29]. До
этого подобные подвесные шестистепенные платформы до сих пор не ис
пользовались и не исследовались.
Если в выбранном фиксированном положении платформы все тросы натянуты, то они в совокупности обеспечивают полное позиционирование по всем шести степеням подвижности (они задают каждую из трех линейных
* координат и каждый из трех углов ориентации) подобно тому, как это имеет
место в шестистепенном механизме платформы Стюарта с жесткими звеньями.
В последнем случае имеется полная аналогия рассматриваемых в данной диссертации систем с обычными манипуляционными роботами с жесткими звеньями или с подъемными кранами с жестким закреплением груза. При управлении положением объекта с помощью изменения длин тросов рассматриваемые системы подвешивания с полным основанием можно считать манипуляционными роботами или робототехническими системами.
В данной диссертации имеются совсем другие области применения
подобных робототехнических систем, они перечислены и охарактеризованы
в главе 1. В рассматриваемых в данной диссертации конструкциях имеется в
ф виду, что длины тросов изменяются по заданным программам с помощью
управляемых лебедок с намоткой тросов на барабаны. Детально вопросы реализации этих устройств рассмотрены в главе 4. Здесь лишь отметим, что важным фактором является рациональное размещение лебедок на опорах. Некоторые или все лебедки должны располагаться на верхних уровнях. В помещении некоторые из лебедок могут крепиться к установочным приспособлениях на стенах, в открытых пространствах они должны устанавливаться на мачтах. Применительно к фактору размещения лебедок в данной диссертации формулируются и решаются задачи анализа (задано их расположение,
# определяется рабочая зона) и задачи синтеза (задается рабочая зона, выво
дятся требования к размещению лебедок).
Очевидным достоинством схем с подвешиванием является возможность использования тросов большой длины (порядка десяти метров и более), допустимость разнесения в пространстве позиций установки лебедок и поэтому обеспечение возможностей получения больших перемещений при определенным образом задаваемых длинах тросов посредством управления (автоматизированного или даже автоматического, без участия человека-
* оператора или рабочего) углами поворота барабанов лебедок. В частности,
возможна имитация свободного полета платформы над сценой по сложным, свободно программируемым траекториям. Традиционное схемное решение задачи полета подробно анализируется далее. Важно, что при традиционном способе возможны только движения с существенными ограничениями (в од-ной вертикальной плоскости или с малыми отклонениями от нее).
Недостатки предлагаемого принципиально нового построения схем
подвижных платформ, подвешенных на гибких звеньях - тросах - очевидны:
невысокая точность задания длин натянутых участков тросов, аналогов при
водных звеньев, пониженная жесткость, возможность относительно низко
частотных поперечных колебаний тросов, возбуждаемых при движении, а
главное - необходимость обеспечения натяжения во всех положениях плат-
ф формы. Именно проблеме обеспечения натяжения тросов во всех положени-
ях в течение всего времени движения в данной диссертации уделяется значительное внимание.
Несмотря на отмеченные недостатки механизмы, построенные по различным вариантам схем многостепенных подвесных платформ (не обязательно шестистепенных), могут найти широкое применение при решении многих прикладных задач.
Целью работы является многоаспектный анализ на математических
моделях и обоснование путей расширения геометрических и динамических
# возможностей многостепенных многоцелевых роботов, имеющих механиз-
мы параллельной структуры с многостепенными платформами, для использования в роботизированных комплексах различного назначения.
Для достижения указанной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи.
1. Установление областей возможного использования робототехнических
манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвес
ных платформ, позиционируемых и ориентируемых изменением сво-
w бодных участков тросов путем управления лебедками.
Формулирование и анализ требований к робототехническим манипуля-ционным системам параллельной структуры на основе подвесных платформ в зависимости от решаемых прикладных задач и условий функционирования.
Для типовых схем робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ с различным числом степеней подвижности геометрический синтез, в рамках решение прямой и обратной задач геометрического анализа.
Исследование распределений нагрузок на тросы робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ для статических режимов в зависимости от параметров линейных перемещений и углов поворота.
Формулирование и формализация условий натяжения всех тросов подвеса и определение, исходя из этих условий областей возможных положений и углов ориентации платформы.
Разработка рекомендаций по размещению лебедок, исходя из требований обеспечения заданных рабочих зон и диапазонов углов поворота; выработка и обоснование предложений по расширению областей возможных положений и диапазонов углов поворота платформы.
Определение влияния растяжимости тросов подвеса платформ рассматриваемых робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на точность задания линейных перемещений и углов поворота.
Постановка, формализация и решение некоторых задач динамики робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.
Проверка на макете новых схемных решений робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Показано, что робототехнические манипуляционные системы параллельной структуры на основе шестистепенных подвесных платформ при размещении всех приводов на неподвижных основаниях позволяют осуществлять линейные перемещения по трем координатам и вращения вокруг трех осей.
Определены возможности механизмов робототехнических манипуля-ционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ последовательно с тремя, четырьмя, пятью и шестью степенями подвижности, для них проведен анализ рабочих зон, диапазонов линейных перемещений и углов поворота рабочих органов.
Показано, что для робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ важны выбор мест расположения кинематических пар, по объединению шарниров и ориентации осей приводов; сформулированы и обоснованы предложения по выбору вариантов схем.
Разработаны основы методик силовых расчетов механизмов параллельной структуры для статических и динамических режимов работы.
Обоснован выбор критериев параметрической оптимизации конструкций манипуляторов рассматриваемого типа и сформулированы конкретные предложения по численному решению этих задач.
Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики манипуляторов исследовались с использованием методов аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач динамики на ЭВМ, использовались стандартные численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland C++ Builder», «Assembler» при составлении программ были использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad». Для разработки электронных
схем сопряжения макета манипулятора с ЭВМ был использован пакет «Proteus Lite».
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
разработана и обоснована методика построения границ рабочих областей механизмов манипуляторов параллельного типа с учетом ограничений по ходам приводов и непересечения элементов;
выделена новая группа манипуляторов параллельной структуры с вращательными приводами и шарнирно-рычажными механизмами;
предложен и обоснован способ ортогонализации схем манипуляторов параллельной структуры, допускающих упрощение управление систем управ-
ф ления при малых перемещениях и углах поворота;
предложены и опробованы на модели способы управления приводами путем включения или выключения в определенные моменты времени без регулирования скорости;
разработана оригинальная схема шестистепенного манипулятора с вращательными приводами, сформулированы конструктивные предложения по его совершенствованию.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертаци
онной работы докладывались на научных конференциях в Иркутском госу-
дарственном университете путей сообщения, а также на IV Международной
научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях» в г.Пенза. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Практическая ценность работы. 1. Разработана инженерная методика расчета и компьютерная программа для выбора мест размещения лебедок манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, исходя из необхо-димости перекрытия заданных зон.
Получены формульные зависимости для управляющих программ приводов систем лебедок.
Разработана методика и программа для определения точности отработки программных траекторий
Разработана классификация основных компонентов робототехниче-ских систем данного типа, которая может быть положена в основу специализированных баз данных.
Основной материал диссертации разбит на пять глав.
В первой главе сначала определяется специфика робототехнических
систем на основе подвесных многостепенных платформ. Структурно типо
вую подвесную шестистепенную платформу можно рассматривать, как об-
ф ращенную платформу Стюарта. В отличие от роботов на жестких привод-
ных звеньях рассматриваемые в диссертации системы на тросовых подвесах
с управляемыми лебедками, которые заданием длин тросов осуществляют
требуемые позиционирование и угловое ориентирование, позволяют полу
чать очень большие перемещения (порядка десятков метров). Управление
положением подвижной платформы осуществляется программным измене
нием длин тросов автоматическими приводами лебедок. Автором предложе
на многоаспектная классификация рассматриваемых систем по таким при
знакам, как функциональное назначение, тип рабочего пространства, епосо
ві бы создания натяжения тросов и т.д. Далее определяется круг прикладных
задач, которые могут успешно решаться с помощью манипуляционных сис
тем параллельной структуры на основе подвесных платформ. Наиболее пер
спективными представляются следующие сферы применения: погрузо-
разгрузочные работы, монтаж различных конструкций, системы контроля и
наблюдения (в закрытых помещениях, в открытых пространствах на воздухе
и под водой), системы охраны и защиты, при имитации свободного полета
над сценой театра и т.д. В заключение главы формулируются основные зада-
чи исследования в диссертации: формулировка предложений по применению,
анализ возможных принципиальных и схемных решениях робототехнических
систем рассматриваемого типа и достигаемых преимуществах, разработка математического аппарата анализа геометрии механизмов робототехнических систем рассматриваемого типа, разработка методик определения границ рабочих зон, получение рекомендаций по рациональному размещению элементов подвеса, выявление источников первичных ошибок и анализ их влияния на ошибки, постановка и решение некоторых задач динамики робототехнических систем на основе подвесных платформ.
Во второй главе описываются математические модели робототехниче
ских систем, построенных на основе многостепенных подвесных платформ.
У рассматриваемых роботов параллельной структуры многостепенные меха-
ф низмы квалифицируются, как пространственные, высших классов, с большим
числом замкнутых контуров; их теория разрабатывалась в последние десяти
летия. Проведен анализ типовых требований к робототехническим системам
рассматриваемого типа, эти требования формулируются в виде критериев,
которые используются при выборе схем и значений параметров; основные
положения иллюстрируются примерами. Для механизмов шестистепенных
платформ известен метод /-координат при получении геометрических соот
ношений, представляющих собой основу математической модели. Однако он
неприменим для произвольных конфигураций. В главе предложен новый ме-
тод получения указанных геометрических соотношений для любого разме-
щения точек закрепления тросов в общем случае на пространственной конструкции подвижной платформы.
Третья глава посвящена решению задачи разработки методики определения для шестистепенной платформы на тросовом подвесе области возможных положений в общем случае в шестимерном пространстве составляющих линейных перемещений и углов поворота. В отличие от платформы Стюарта
на жестких приводных звеньях, для которой ограничения на перемещения
w преимущественно обусловлены ограниченностью длин звеньев и ходов, при
подвесе на тросах определяющими являются условия натяжения всех тросов.
Кроме того учитываются требования исключения особых положений и пересечения тросов. Разработанная методика определения участков границ области возможных положений построена на том, что в записанных уравнениях статики подвижной платформы поочередно приравниваются нулю усилия в тросах. Данная методика реализована в специализированной компьютерной программе. Требуемые размеры области возможных положений могут быть получены достаточно большим разнесением мест установки лебедок; значительное расширение области может быть получено добавлением к шести позиционирующим одного или нескольких тросов, задающих определенные усилия. В заключение главы рассматриваются задачи динамики подвижных
ф платформ, которые могут решаться методом кинетостатики добавлением к
числу действующих сил инерции.
В четвертой главе по преимуществу рассматриваются типовые, представляющие наибольший интерес варианты. Сначала охарактеризованы признаки, определяющие геометрию рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения лебедок и особенности конфигураций рабочих зон. Затем сформулированы общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ. В основу принят такой подход, при котором по тем или иным критериям для номинального положения
(среднего в рабочей зоне) осуществляется оптимизация. В качестве одного из
критериев выбирается принцип близости к диагональной матрицы преобразования длин тросов к обобщенным координатам платформы. Как наиболее перспективная рассматривается ортогонализованная схема. Показано, что для подобной ортогонализованной схемы натяжение всех тросов обеспечивается только в прямоугольной системе координат, повернутой относительно плоскости горизонта. Как вспомогательная рассматривается плоская задача позиционирования плоской платформы. Значительный практический интерес
представляет схема, в которой лебедки могут устанавливаться над рабочей зоной.
В пятой главе сначала обсуждаются принципы и способы управления манипуляционными системами рассматриваемого типа, предлагается алгоритм автоматического управления, не требующий больших вычислительных ресурсов. Особое внимание обращается на анализ использования в системах автоматического управления датчиков различных типов и принципов действия, измеряющих непосредственно координаты, их приращения или усилия натяжения в тросах. Формулируются задачи введения поправок в управляющие программы на растяжения тросов и другие влияющие факторы. В заключение главы приводятся сведения о созданном макете и результатах его испытаний. Предварительные испытания макета подтвердили правильность предлагаемых принципиальных и схемных решений.
По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в погрузо-разгрузочных работах
Представляется, что грузоподъемность, производительность и точность манипулирования таких погрузо-разгрузочных систем не могут быть высо кими. Одна из перспективных областей применения - при монтаже на откры ф тых площадках временных сооружений, состоящих из большого числа гро моздких, но не очень тяжелых фрагментов, например в виде ферм или плоских щитов. Обычно для подобных операций используются автокраны, которые, конечно, не позволяют осуществлять угловое ориентирование переносимых объектов вокруг вертикали, это делается вручную. Чем выше собираемые фрагменты, тем более длинными должны быть стрелы автокранов. Аналогичные ситуации могут иметь место и на сцене театра, когда необходимо оперативно, в промежутках между актами и картинами изменять декорации на сцене.
Рассматриваемые робототехнические системы представляются перспективными для контроля или наблюдения за обстановкой или поиска определенных объектов. В этих случаях рабочий орган представляет собой чувствительный элемент, сенсор, датчик или информационно-измерительную систему, включающая совокупность указанных устройств. В зависимости от конкретного назначения это могут быть видеокамера, сложная бинокулярная система технического зрения, дистанционные датчики жесткого, инфракрасного теплового или электромагнитного излучения, датчики радиоактивных излучений, система микрофонов, газоанализаторы и т.д. Подобного рода ро-бототехническая манипуляционная система может работать в режимах поиска объектов над плоскостью или в пространстве определенного вида путем сканирования зон как только линейными перемещениями, так одновременно и поворотами, возможно с последующим наведением по углам и с приближением на малое расстояние. Робототехническая система с перемещениями чувствительного элемента на подвесной платформе может заменять целую систему стационарно устанавливаемых датчиков информации, например, видеокамер. Преимущества подвесных манипуляционных систем, предостав Ш ляющих возможности приближения к наблюдаемым объектам, проявляются особенно отчетливо в тех случаях, когда стационарные датчики могут устанавливаться на опорах только по периметру больших площадей.
В качестве объектов постоянного контроля и наблюдения могут быть склады контейнеров на открытых площадках (при управляемых перемещениях датчиков преодолеваются трудности осмотра относительно узких промежутков между стеллажами, рядами контейнеров и т.п.), территории силовых подстанций, бассейны для разведения рыб, бассейны очистных сооружений городов, большие вольеры зоопарков и природных парков с особо густыми и непроходимыми зарослями. При контроле состояния больших бассейнов, оп ределения степени химической, радиационной или биологической загрязненности на этой основе в перспективе могут быть автоматизированы функции забора проб воды из определенных точек. В горных местностях с помощью подобных транспортно-манипуляционных робототехнических систем с подвесными платформами может производиться обследование крутых склонов при поиске выходов на поверхность определенных горных пород, родников, мест гнездования птиц, расселения животных и т.п. В этих случаях установка и закрепление лебедок может производиться не на специальных высоких опорах, а на сваях, забиваемых в грунт, или альпинистских крючьях.
Контроль может осуществляться с целью анализа состояния строительных конструкций на большой высоте. Так при подвешивании перемещаю-щеися платформы в пролетах мостов и путепроводов может осуществляться их сканирующий осмотр снизу. Аналогичная организация системы осмотра и контроля состояния может быть использована в больших помещениях, перекрытых ферменными конструкциями или без опорными каменными или железобетонными оболочками.
Определенная специфика может быть учтена при использовании под весных платформ для наблюдения за транспортными потоками на перекрест ф ках, где часты пробки и дорожно-транспортные происшествия, а также в мес тах большого скопления людей на малых пространствах. В отличие от средств наблюдения в виде стационарных камер, здесь имеются возможности значительного приближения к местам локальных инцидентов за малые интервалы времени; при этом можно оперативно определять координаты.
Одна из возможных областей применения робототехнических систем рассматриваемого типа в ситуационном контроле в местах, заранее не подготовленных - осмотр в очень ответственных случаях мест аварий и других нештатных ситуаций, в том числе с опасным химическим и радиоактивным загрязнением, когда зона с большим запасом может быть огорожена, необхо димо снимать детально карту распределения интенсивности и локализовать пятна загрязнений и когда полностью исключается участие как персонала, так и роботов-разведчиков на колесных или гусеничных шасси. Очевидно, что для этих ситуаций требуется иметь мобильные комплексы.
Представляется также, что подобные системы могут использоваться при плановом периодическом обследовании состояния поверхностей несущих конструкций крупных сооружений и комплексов, больших зон геологи ческих и археологических раскопок, стадионов, съемочных площадок кино фильмов, штабелей сыпучих материалов, в первую очередь, способных к самовозгоранию. При этом могут ставиться и решаться задачи измерения тепловых полей, обнаружения и идентификации предполагаемых очагов возгорания, разлива жидкостей, выделения газов, наличия посторонних подозри-тельных предметов и т.п.
Таким образом, подобные системы могут быть использованы, как анти террористические и как средства повышения безопасности, в том числе по жарной и экологической. Может рассматриваться вопрос об использовании на подвесных платформах описываемых робототехнических систем не толь ко устройств обнаружения и наблюдения, но и активных средств воздействия на окружающую среду, например, средств пожаротушения или дезактивации, ф распыления антисептиков, пестицидов или инсектицидов. Несомненно, широкие перспективы открываются при использовании описываемых систем при натурных съемках кино- и телефильмов, как доку ментальных, так и постановочных. Известно, что многие запоминающиеся эффекты достигаются за счет применения различных технологий комбиниро ванных съемок с раздельной записью фрагментов и с последующим совме щением изображений. При этом эффекты приближения и удаления часто создаются не за счет физического перемещения камеры, а только иллюзорно за счет изменений фокусного расстояния. Однако часто требуется действи тельные перемещения камеры и это не может быть восполнено никакими средствами оптической имитации
Требования к манипулированию и выбор схем подвешивания
Рассматриваемые в этой диссертации робототехнические системы на # подвесных платформах относятся к категории пространственных. В течение многих десятилетий в механике разрабатывалась преимущественно теория плоских механизмов. Исследования структур и кинематики пространствен ных механизмов начались только в конце XIX века и продолжились в первой половине XX века. Среди исследователей этого периода следует отметить в первую очередь Л.В.Ассура, предложившего алгоритм построения и пред ставления многозвенных механизмов, а затем А.П.Малышева, И.И.Артоболевского [6, 7], Н.И.Колчина [58]. К восьмидесятым годам XX итоговой в части классификации и синтеза структур можно считать монографию С.Н.Кожевникова [56]. В центре внимания всегда были рычажные механизмы с вращательными или поступательными кинематическими парами. При этом предполагалось, что звенья жесткие и имеют постоянные длины. Самой новой по теории пространственных механизмов является монография Э.Е.Пейсаха[81].
В течение десятков лет в теории механизмов рассматривались большей частью механизмы, хотя, возможно, достаточно сложные, но с одной степе нью подвижности, с одним приводом и с одним выходным звеном. Часто это даже считалось само собой разумеющимся и даже не оговаривалось. При этом важнейшим признаком считалось незамкнутость или замкнутость кине матических цепей. При замкнутости важнейшим классификационным пока ф зателем, определяющим уровень сложности задач кинематики и динамики, считается число замкнутых контуров. Причем при замкнутости было типичным небольшое число замкнутых контуров, чаще всего один или два, что действительно соответствовало практике. В соответствии с этим признаком механизмы делятся на классы [71].
В последние два с половиной десятилетия появились и стали важными следующие новые факторы
1. Получили распространение автоматические машины новых классов роботы, среди которых наиболее известны промышленные роботы и специ ей альные роботы, предназначенные для работы в экстремальных условиях. В большинстве случаев их механизмы строились по схемам с разомкнутыми кинематическими цепями, они имели по несколько приводов по степеням свободы, но одно выходное звено. Это явилось нетрадиционным для класси ческой теории механизмов, механика таких механизмов была в семидесятые восьмидесятые годы доработана рядом научных коллективов. Основные ито ги этих работ нашли отражение в первую очередь в большом числе статей в научных журналах, в докладах на научных конференциях, и впоследствии в монографической и учебной литературе [81].
2. В различном оборудовании широко используются линейные модули (модули линейных перемещений), которые в схемах представляются звеньями (стержнями) переменной, управляемой длины. Конструктивно они традиционно представляли собой пневмо- или гидроцилиндры, но все большее распространение получают модули с электроприводом, в которых преобразование вращения ротора электродвигателя в поступательное перемещение штока осуществляется с помощью винтовой передачи.
3. В последние годы на основе модулей получили распространение механизмы параллельной структуры, к числу которых принадлежит кратко описанная в п. 1.1 этой диссертации шестистепенная платформа Стюарта (рис. 1.1). У такого механизма число замкнутых контуров равно пяти. Однако при построении вспомогательных манипуляционных роботов и манипуляци-онных систем могут представлять интерес и меньшее число степеней подвижности: три, четыре и пять.
4. Еще большее распространение, чем механизмы параллельной структуры получили механизмы комбинированной, смешанной структуры, в которых приводные звенья разделяются на группы, так что в каждой группе их соединение является параллельным, а сами группы соединяются последовательно. Простейшие примеры таких схем плоских механизмов с тремя степенями свободы приведены на рис. 2.5 а, б.
Условия сохранения натяжения всех тросов подвеса и ограничения области возможных положений платформы
Как отмечалось выше, принципиальной особенностью подвесных кон струкций является то, что все тросы воспринимают только усилия растяже ния, но не сжатия. Из этого следует, что при решении задач о статическом или динамическом относительном равновесии в первую очередь необходимо учитывать ограничения на неотрицательность усилий в тросах как в статиче ских, так и в динамических режимах, причем именно эти ограничения на об % ласти возможных положений (ОВП) в большинстве случаев становятся ос новными, определяющими. Иное положение имело место при исследовании платформы Стюарта с жесткими приводными звеньями, когда ОВП определяется преимущественно диапазонами изменения длин этих звеньев.
Отметим еще одну особенность подвесных конструкций, связанную с областями применения. Длины звеньев (тросов) обычно велики по сравне нию с размерами платформы, поэтому эти длины нельзя считать характер ными параметрами, характерными параметрами являются углы. Наоборот, при анализе свойств классических многостепенных платформ с жесткими # приводными звеньями традиционным является линейно-геометрический подход, когда основными являются соотношения линейных расстояний между точками закрепления шарниров на неподвижном основании и на подвижной платформе, а также длинами приводных звеньев.
В рассматриваемых в этой работе задачах на передний план выходят уравнения статики, поскольку именно из них находятся условия неотрицательности усилий в тросах. Кроме того, имеется ввиду, что лебедки могут быть достаточно далеко удалены от платформы. Поэтому при анализе уеловий статического равновесия определяющими параметрами целесообразно считать углы или направляющие косинусы.
В математической модели объектом является или плоское (традиционная платформа) или объемное тело с приложенными силами и силами реак-ции тросов, причем направления сил задаются углами или различными параметрами угловой ориентации, а модули сил подлежат определению, или же на них налагаются определенные условия. Именно в углах или параметрах угловой ориентации первоначально определяются условия существования решений при неотрицательности сил в тросах.
Введем исходные представления. Задается связанная с неподвижным основанием система координат OQXOYQZQ, которая считается базовой. С под ф вижной платформой (в виде плоской или объемной конструкции) свяжем систему координат OXYZ, считаются заданными координаты точек закрепления тросов. Ориентацию натянутого /-го троса (трос считается прямолинейным, его прогибом под действием собственного веса пренебрегается) в системе координат OQKQYQZQ будем определять тремя направляющими косинусами y,i, уд, у,з Из трех направляющих косинусов независимыми являются только два; направляющие косинусы связаны соотношением нормирования
Реальные точки закрепления тросов могут быть произвольно располо жены в пространстве. Но при анализе статики в определенном положении достаточно считать условной точкой закрепления точку пересечения линии троса с координатной плоскостью XY, что по существу означает переход к модели плоской платформы с плоскостью, совпадающей с XY. При шести тросах, таким образом, для постановки и однозначной формализации задачи о статическом равновесии должны быть заданы 12 независимых параметров, задающих координаты точек закрепления тросов, и 12 независимых (при уче-те условий нормирования (3.1)) параметров угловой ориентации тросов.
Будем считать, что задача геометрии тем или иным способом решена (определены все направляющие косинусы) и перейдем к задаче о статическом равновесии. Вводятся в рассмотрение векторы S\ сил реакций тросов, воздействующих на платформу; они направлены от точек закрепления тросов на платформе к соответствующим опорам. Они представляются следующим образом І = ЄІ, (3.2) где е\ = /j ///" - единичный вектор, направленный по / -ому тросу. Рассмотрим два варианта. 1. Получим уравнения статического равновесия платформы сначала при действии на платформу (вместе с грузом) только силы тяжести. Плат форма находится в равновесии под действием суммарной силы тяжести Р, приложенной к центру масс, определяемому радиусом-вектором гс с состав ляющими по осям хс, ус, zc. В векторной форме записываются два уравне ния равновесия: уравнения сил и моментов Еі + Р = 0 (3.3) r,xSi+rcxP = 0 (3.4)
В данном случае уравнение моментов записано относительно центра платформы, хотя это не обязательно. Эти уравнения при использовании (3.2) могут раскрываться в любой системе координат. В неподвижной системе координат или в системе координат, жестко связанной с платформой получается шесть скалярных уравнений статики. В неподвижной системе координат проектирование осуществляется через направляющие косинусы у л , уд, уд.
2. Сформулируем теперь в общем виде задачу о равновесии платформ с дополнительными тросами, прикладывающими дополнительные силы. Пред полагается, что эти силы или измеряются, или задаются управляемыми ле бедками в соответствии с программой. Как отмечалось ранее, дополнитель ные тросы не являются позиционирующими, они должны прикладывать к платформе определенные силы.
Общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ
В соответствии с ГОСТ 25686-85 рабочее пространство определяется, как часть пространства, в котором при работе робота могут находиться эле менты его конструкции; эта зона должна быть свободна от препятствий. Ра бочая зона определяется, как часть пространства, в котором может находить ся рабочий орган или объект манипулирования. В дальнейшем основное внимание обращается на рабочую зону, причем важнейшим показателем яв ляется ее конфигурация в плане, а конкретно - соотношение между ее основными габаритными размерами. Типовыми можно считать такие варианты конфигурации: - с близкими габаритными размерами (вписывается в квадрат или круг), эти конфигурации в главе называются близкими к осесимметричным; - ортогонализованная, в которой перемещения и углы поворотов задаются по осям прямоугольной системы координат; - двумерная (плоская) при перемещении платформы в своей плоскости. В обоих случаях области могут быть сплошными, или из них могут быть исключены определенные участки (например, средние зоны или коридоры).
В данной главе задачи геометрического синтеза рассматриваются в об щей постановке, имеется в виду, что расположения точек размещения лебе док на неподвижных опорах и точек закрепления тросов на подвижном объ екте жестко не заданы, но возможности их выбора ограничены. Очевидно, что при подвесе на тросах нужно иметь по крайней мере одну верхнюю по зицию для установки лебедки выше рабочей зоны, но этих вакантных пози ций может быть несколько. Для верхних позиций требуются опоры типа спе циальных мачт, при этом приходится монтировать специально проектируемые металлоконструкции. Установка лебедок на более низких уровнях трудностей не вызывает, однако при выполнении движений нижние тросы могут требовать достаточно больших свободных зон, что не всегда возможно.
Вторым важным фактором является размещение точек закрепления тросов на подвижном объекте, который по-прежнему будет именоваться платформой. Кроме того, предусматриваются разные возможности: тросы, оканчивающиеся стыковочными устройствами, могут закрепляться непосредственно на объекте манипулирования, на платформе, предназначаемой для установки грузов, на специальной конструкции, несущей захватное устройство, которое удерживает переносимый груз.
В дальнейшем при постановке и решении задач геометрического синтеза робототехнических систем основное внимание уделяется поиску таких вариантов расположения точек закрепления тросов и направлений, при которых все тросы натянуты, т.е. усилия в них являются положительными. Далее подлежат определению зоны около этих положений, в которых все усилия остаются положительными. В силу свойств непрерывности размеры этих зон конечны.
При рассмотрении вариантов размещения точек закрепления тросов для наглядности платформе придается вид того или иного геометрически простого тела, например, прямоугольного параллелепипеда. При реализации конструкция может иметь существенно иные формы, они приводятся лишь в некоторых случаях.
Сформулируем критерии, которые необходимо использовать при выборе геометрических параметров схем подвешивания.
1. С целью достижения лучшей управляемости и точности управления по углам целесообразно максимально возможное по конструктивным соображениям разнесение точек закрепления тросов на платформе. Если поверхность объекта образована плоскостями, то это означает, что точки закрепления должны быть в угловых точках. Последняя рекомендация представляется вполне естественной, если конструкция каркасная.
2. Возможны следующие основные альтернативные подходы к распределению точек закрепления тросов на платформе: - по возможности равномерное по периметру или по определенной поверхности; - с группировками точек по следующим определенным соображениям: - с привязкой некоторых тросов к геометрическому центру; - с привязкой к центру масс; - с привязкой к наиболее важной точке (это может быть объектив камеры, источник света осветительного прибора и т.п.). - с группировкой по функциональному принципу (например, когда осуществляется задание тремя тросами трех координат определенной точки, которая может быть виртуальной), а тремя другими - угловая ориентация.
3. Чтобы обеспечить натяжение тросов, используются: - только силы тяжести; - силы натяжения дополнительных тросов, силы натяжения которых постоянно задаваемые; - регулируемые непрерывно или ступенчато; - включаемые и выключаемые.
Рассмотрение конкретных задач начинается со случаев, когда дополнительные тросы отсутствуют, а на платформу действует только сила тяжести.
Для выявления качественных свойств целесообразно рассмотреть задачи геометрии и статики для малых диапазонов линейных перемещений и углов поворота относительно выбранного номинального положения
