Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ работ, посвященных методам управления и их развитие 7
1.1. Анализ известных методов кинематического и динамического синтеза манипуляторов, систем управления 7
1.2. Анализ этапов развития, основ теории управления 15
1.3. Выводы главьіі 26
Глава 2. Влияние расписания включения приводов робота на его кинематические параметры 28
2.1. Постановка задачи 28
2.2. Влияние расписания включения приводов в подвижностях манипуляционной системы на характер траектории точки присоединения схвата 30
2.3. Выбор начальной конфигурации манипуляционной системы робота 56
2.4. Влияние расписания включения приводов на кинематические параметры манипуляционной системы 65
2.5. Выводы главы 2 69
Глава 3. Влияние расписания включения приводов робота на его динамические параметры 72
3.1. Анализ сил, действующих в манипуляционной системе робота...72
3.2. Возможность уравновешивания инерционных сил путем изменения расписания включения приводов 75
3.3. Выводы главы 3 84
Глава 4. Влияние расписания включения приводов робота на его энергетические параметры 86
4.1. Связь энергодинамических характеристик приводов манипуляционной системы робота с их последовательностью включения 86
4.2. Расписание включения приводов манипуляционной системы робота и ее энергодинамические характеристики 110
4.3. Выводы главы 4 119
Заключение 120
Библиография 122
- Анализ этапов развития, основ теории управления
- Влияние расписания включения приводов в подвижностях манипуляционной системы на характер траектории точки присоединения схвата
- Возможность уравновешивания инерционных сил путем изменения расписания включения приводов
- Расписание включения приводов манипуляционной системы робота и ее энергодинамические характеристики
Введение к работе
Стремительное развитие робототехники за последнюю четверть века существенно обогатило технический прогресс и предоставило человеку новые средства автоматизации. Промышленные роботы применяются в качестве транспортных средств, технологических машин и элементов гибких систем комплексной автоматизации. Фундаментальные идеи робототехники основываются на новейших достижениях в области теоретической и прикладной механики, электроники, теории машин и механизмов, вычислительной техники, теории управления.
В данный момент время роботизация многих сфер деятельности приобретает все более широкие масштабы, и в век энергосберегающих технологий встает вопрос о возможности создания более экономичных робототехнических комплексов.
Существующие на сегодняшний день методы и способы уменьшения энергозатрат приводов робота не всегда позволяют решать поставленные задачи в технологическом процессе, без введения дополнительных устройств или корректирующих программ управления. Наиболее эффективным использованием роботизированных комплексов, с уменьшенными энергозатратами, будет их применение в нефтегазодобывающей и нефтехимической промышленности. В частности, в трубопроводном транспорте газа, нефти, а также неразрушающий контроль зданий и различных технических конструкций.
Одним из перспективных направлений развития способов уменьшения энергозатрат является разработка методов и алгоритмов управления, позволяющих снижать потребление энергии за счет рационального выбора расписания включения приводов.
На сегодняшний день, при разработке новых робототехнических комплексов, актуальное значение приобретают роботы, позволяющие осуществлять неразрушающий контроль зданий и различных технических конструкций. В этом случае захват, робота оснащается прибором контроля
(например, рентгеном или прибором инфракрасного излучения и т.д.), которые могут обладать значительными массами, а следовательно, при движении будут создавать большие инерционные нагрузки. Поэтому вопрос уменьшения ускорений в процессе движения манипуляционной системы путем рационального включения приводов является важным с точки зрения уменьшения динамических нагрузок, что в свою очередь приведет к увеличению надежности конструкции робота и понижению энергозатрат на перемещения. В случае, если требуется высокая точность позиционирования, уменьшение динамических нагрузок и инерционность системы позволит также увеличить точность позиционирования.
Вопросы создания роботизированных комплексов с уменьшенными энергозатратами в настоящее время являются весьма актуальными при разработке универсальных средств неразрушающего контроля. Решение данных задач позволит снизить энергозатраты манипулятора, тем самым,чувеличив срок работы робототехнических систем, использующихся при контроле трубопроводов и несущих металлоконструкций зданий.
Основной целью данной работы является разработка способов уменьшения энергозатрат робота путем рационального выбора расписания включения приводов, а также исследование влияния расписания включения на кинематические, динамические и энергетические характеристики.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи;
Разработать теоретические методы выбора расписания включения приводов и их влияние на кинематические, динамические и энергетические характеристики работы манипуляционной системы.
Определить влияние начальной конфигурации манипуляционной системы на выбор расписания включения приводов.
Разработать способы, позволяющие уменьшать инерционные нагрузки звеньев и приведенных моментов, которые возникают при работе манипулятора.
Разработать и составить программы управления роботизированными
комплексами, которые участвуют в процессе контроля трубопроводов,
позволяют эффективно и надежно производить работы по выявлению
дефектов.
Методы исследования;
Для теоретических исследований и анализа влияния расписания
включения приводов робота на его кинематические и динамические параметры
используются методы: аналитической геометрии; решение дифференциальных
уравнений движения; приведение сил и масс; суперпозиций при
кинематическом анализе; парциальных сил при динамическом анализе. При
назначении рационального расписания включения приводов робота
используется методика выбора оптимальных параметров в задачах со многими критериями. Экспериментальные исследования, для проверки достоверности теоретических результатов, проводились на основе выбранной кинематической схемы манипулятора, по которой была составлена реальная модель на ЭВМ.
Научная новизна работы:
Разработаны и обоснованы способы уменьшения сил, действующих в кинематических парах, и энергозатрат манипуляционных систем путем рациональной последовательности включения приводов.
Получены уравнения и дано их решение, позволяющие определять различные траектории движения схвата, кинематические и динамические параметры звеньев манипуляционной системы из условия получения рациональных и удобных для практического применения характеристик, позволяющих снизить энергозатраты.
Установлена взаимосвязь начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота в подвижностях его манипуляционной системы.
Разработан математический аппарат, методика и алгоритмы выбора
расписания включения приводов робота, с учетом его кинематических,
динамических и энергетических характеристик.
Практическая ценность полученных в работе результатов:
На основе разработанного математического аппарата созданы
программы расчета последовательности включения приводов робота, даны рекомендации по выбору и анализу траекторий, по которым происходит движение манипуляционной системы, а также исследованы вопросы кинематического и динамического воздействия на работу манипулятора.
Даны рекомендации по выбору расписания включения приводов под
различные инженерные задачи, которые возникают в процессе работы
роботизированных комплексов. В частности, роботов
использующихся в работах по контролю швов в трубопроводах.
Работа выполнена в соответствии с НИР ТИГ - 726, выполняемых МГАПИ в 2000-2004гг. По федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России» и Научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».
Использование результатов работы:
Результаты работы использовались ЗАО НИИ МНПО «Спектр» для модернизации и совершенствования системы управления кроулерами, в результате была создана управляющая система с улучшенными энергодинамическими характеристиками, которая заменила устаревшую систему управления. Также результаты работы используются в учебном процессе кафедры ИС-5 «Информационное обеспечение робототехнических систем и комплексов» при чтении курса «Проектирование роботов и РТС», а также в дипломном проектировании».
Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на пяти международных и Российских конференциях: «Новые
информационные технологии» (г. Москва 2002), V и VI Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи, 2002, 2003).
Структура и объем диссертации.
Работа содержит введение, четыре главы и заключение, изложенных на 131 страницах текста, 34 рисунка, 11 таблиц и библиографии из 112 наименований.
На защиту выносятся:
Математический аппарат, методика и алгоритмы выбора расписания включения приводов робота с учетом его кинематических и динамических характеристик;
закономерности изменения сил инерции и их взаимоуравновешивание путем рациональной последовательности включения приводов;
установление связи начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота.
Анализ этапов развития, основ теории управления
Робототехнические системы являются наиболее совершенными техническими средствами, для осуществления комплексной автоматизации технологических процессов, поэтому возникла насущная потребность в создании и широком применении промышленных роботов-манипуляторов. Под действием автоматической системы управления робота его манипуляторы совершают движения, подобные движениям рук человека в процессе его трудовой деятельности. Большинство систем управления роботами отличаются простотой переналадки на различные виды технологических операций. Таким образом, промышленный робот является многоцелевой машиной, удовлетворяющей современным требованиям создания гибко переналаживаемого автоматизированного производства. Если рассматривать общую классификацию робототехнических систем, можно выделить следующие виды: 1. Мобильные робототехнические системы. 2. Информационные и управляющие робототехнические системы. Эти два вида получили наибольшее распространение и применение в промышленности.
Мобильные (движущиеся) робототехнические системы представляют собой некоторые платформы, на которых установлен манипулятор, снабженные колесами (шасси), перемещением которых управляет автоматика. При этом они кроме программы маршрута движения имеют запрограммированную автоматическую конечную цель, а также могут в автоматическом режиме производить такие операции, как погрузка и разгрузка. В мобильных робототехнических системах используют различные принципы движения. Они могут быть колесными, шагающими, колесношагающими, гусеничными и т.д. В промышленности мобильные системы нашли широкое применение от обслуживания установок по добыче нефти и газа, сканирования стыков нефтепроводов до установок по освоению морского дна.
Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы измерительно-информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу информации, и использование ее для формирования различных управляющих сигналов. В промышленности, в основном, это системы автоматического контроля и управления в производственном процессе, не требующие присутствия человека. Подобные системы применяют в автоматических системах проектирования, при выполнении технических или экономических расчетов и др. При рассмотрении устройств промышленных роботов вопросы выбора различных систем управления занимают исключительное положение. Часто возможности промышленных роботов оцениваются только по имеющимся у них характеристикам устройств управления. При анализе различных систем управления, которыми обладают роботы, удобно выделять следующие вопросы: 1. Формулировка требований к выполнению заданных программных движений исходя из поставленной технологической задачи, с обязательным учетом выбора наиболее оптимальной траектории, при которой энергозатраты приводов робота будут наименьшими. 2. Описание и сопоставление известных систем управления, их принципов действия с учетом возможности уменьшения энергозатрат робота. 3. Описание и построение структур систем управления. В классическом случае каждая система управления представляется в виде соединенных блоков, каждый из которых выполняет свои определенные функции. 4. Описание состава блоков и элементной базы. 5. Сравнение промышленных роботов по техническим и энергосберегающим характеристикам систем их управления. 6. Описание способов работы с устройствами управления, в частности способов программирования движения манипуляционной системы, с учетом энергодинамических параметров манипулятора.
С теоретической точки зрения манипулятор можно рассматривать как систему управления, которая состоит из многозвенной механической конструкции с исполнительными пневмо-, гидро -, или электроприводами, активно взаимодействующей с внешней средой и характеризующейся совокупностью параметров, изменяющихся по времени. Приводы могут применяться как по отдельности, так и в комбинации. Входом этой системы является многокомпонентный сигнал, который поступает с устройства управления роботом, выходом - является требуемое перемещение манипулятора. Опираясь на законы кинематики и динамики манипулятора можно спланировать траекторию таким образом, чтобы при движении манипуляционной системы затраты энергии приводов были минимальны и при этом было бы обеспечено выполнение заданной технологической задачи. Задачу управления манипулятором удобно разбить на две составляющие: выбор наиболее оптимальной траектории и задачу управления движением манипулятора вдоль выбранной траектории.
Влияние расписания включения приводов в подвижностях манипуляционной системы на характер траектории точки присоединения схвата
Различные технологические особенности промышленных роботов обусловлены, в первую очередь, широким многообразием видов выполняемых траекторий, а также большим диапазоном изменения скоростей и инерционных нагрузок \96,97\. При этом решении задачи определения траектории, по характеру этой траектории, ее протяженности, представляется весьма существенным, так как это влияет на энергодинамические параметры манипуляционной системы.
Исходными данными для разработки диссертации являются показатели развития машиностроения, данные, содержащие государственные стандарты на технологические процессы, оборудование, оснастку и т.д.
Базовые исходные данные включают схемы манипуляционных систем роботов, работающих в различных системах координат, размеры звеньев, их возможные перемещения, а также ряд статей посвященных данной тематики \46,47,96,97,98,99\. Справочные исходные данные состоят из документации на действующие и типовые процессы изготовления и обработки детали, каталоги, номенклатурных справочников и научно-технической литературы \46\.
При решении задачи планирования траектории важным является определение начального и конечного положения. Конечное положение определяется поставленной задачей, которую должен выполнить робот. Начальное же положение определяется выбором начальной конфигурации манипуляционной системы, которая может задаваться либо условиями работы робота, либо, если эти условия не оговорены, энергодинамическими показателями, которые будут определять трогание робота с места. Выбору начальной конфигурации посвящен раздел 2 главы 2.
В общем, виде любую траекторию движения точки присоединения схвата можно представить в виде полинома седьмой степени: qj (t)=a7t7+a6t6+a5t5+a4t4+a3t3+a2t2+a1t+ao , в котором коэффициенты щ определяются из заданных граничных условий и условий непрерывности \71,92,94\.
Кроме того, зная значения обобщенных координат узловых точек траектории, и соответствующие им моменты времени, можно построить для каждого из сочленений полином, выражающий обобщенную координату как функцию времени. Такой полином будет проходить через все узловые точки и имеет нулевые значения начальных и конечных скоростей и ускорений. Если траекторию движения разбить на ряд участков, то для любого отрезка траектории будем иметь на каждом конце ограничения на положение, скорость и ускорение.
Если бы в диссертации была бы поставлена задача планирования траектории, то необходимо было бы составлять соответствующие полиномы и определять его коэффициенты, исходя из ограничений, полученных из условий работы робота. В данной работе рассматривается вопрос влияния расписания включения . приводов в сочленениях на характер траектории движения, и предлагаются рекомендации по выбору расписания включения приводов исходя из поставленных задач.
При решении этих задач надо учитывать возможности уменьшения энергозатрат в приводах робота, затрачиваемых на перемещение звеньев манипулятора, изучать изменения возможности характера траектории движения схвата, ее протяженность при различных последовательностях включений приводов в подвижностях схвата.
Расписание включения приводов каждого сочленения определяет последовательность их включения для обеспечения заданного перемещения выходного звена. Следовательно, определяя последовательность включения приводов, можно получить такую траекторию движения точки D выходного звена манипуляционной системы (рис.2.1), которая обеспечит наименьший объем движения во всех кинематических парах механизма манипулятора, что существенно позволяет снизить энергозатраты приводов робота, так как wmin=, і где W Imin - объем движения во всех кинематических парах; І - перемещение в і-ом сочленении. Рис.2.1 Схема трехзвенного манипулятора. Кроме того, экономичность движения зависит от длины траектории, по которой движется выходное звено, поэтому, подбирая соответствующим образом последовательность включения того или иного привода, можно получить нужную траекторию движения манипуляционной системы, то есть решить задачу о положении путем расписания включения приводов.
Для более точного решения задачи о положении с получением одновременно минимизации энергозатрат, необходимо при использовании метода конечного поворота твердого тела учитывать расписание включения приводов, то есть порядок выполнения поворота отдельных звеньев.
Возможность уравновешивания инерционных сил путем изменения расписания включения приводов
Компенсация динамических воздействий, уравновешивание и практическое использование сил инерции представляет одну из наиболее важных технических проблем. Кроме того, приемистость робота зависит от моментов и сил, развиваемых приводами степеней подвижностей манипулятора, а также его инерционных нагрузок. Поэтому важно выявить возможность либо уменьшения инерционных сил, либо использования этих сил для разгружения привода, то есть получить закон уменьшения инерционных нагрузок таким, чтобы они складывались с движущими силами. Этого можно добиться путем рационального включения приводов. Необходимо составить циклограмму включения приводов так, чтобы инерционные нагрузки на схвате, возникающие при движении звеньев при включенном приводе в подвижности А гасились бы инерционными нагрузками при включении привода в подвижности В и так далее. Иллюстрация подобного утверждения представлена в таблице 3.2. Если выбрать режим включения таким, чтобы в подвижности А привод еще включен, но происходит торможение при приближении qi-»qiK, привод в подвижности В включается, тогда ускорение точки Dj от qx будет отрицательным, а ускорение точки D2 от q2 будет положительным, то есть инерционные силы FU{ = (m, +т2+т3) aDi и Fut ={т2 +тз) аог направлены в разные стороны и частично будут уравновешивать друг друга.
При решении задачи о влиянии расписания включения приводов в подвижностях манипуляционнои системы возникает вопрос определения закона изменения обобщенной координаты по времени q;(t).
Задача решается независимым выбором для каждой из обобщенных координат qi одного из существующих «стандартных» законов. Существуют «стандартные» законы изменения qj(t), которые удовлетворяют условия g,(0) = qa;q,(tn) = q&;ql(0) = ql(tn) = 0;i=l,2,...,n tn - время периода работы. Наиболее предпочтительным является синусоидальный закон изменения ускорения. t--sm\ + qio 7Т t, ) . я . аЛ,\ . it аЛ. ,. =assin—г; =- -Ч 1-cos— ;qs=-LJ t, п \ t, J я Первоначально был выбран «прямоугольный» закон ускорения был выбран из того условия, чтобы проиллюстрировать на более невыгодном законе изменения ускорения q\t), возможности компенсации сил инерции путем рационального расписания включения приводов. На рис.3.4 построены векторные уравнения, позволяющие определить axD,ayD,azD а на рис.3.5, 3.6 и 3.7 построены графики изменениеFJD(t),FJp(/),FJo(/)
Таким образом, видно, что величина ускорения, следовательно, и силы инерции изменяются, а также изменяется и направление векторов а5ги FU2B зависимости от последовательности включения приводов. Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что рациональным включением приводов можно изменить величину и направление сил инерции, действующих на звенья.
1. Рациональное расписание включения приводов позволяет уравновешивать инерционные нагрузки, возникающие при движении системы.
2. Рациональное включение приводов позволяет разгружать приводы за счет уменьшения сил сопротивления (сил инерции), которые должны преодолеваться приводами. 3. Составлением расписания включения приводов можно регулировать изменение инерционных нагрузок таким образом, чтобы они взаимно уравновешивали друг друга.
4. Рациональное расписание включения приводов позволяет уменьшать реакции в кинематических парах за счет уменьшения инерционных нагрузок, что увеличивает долговечность робота.
5. Совместное решение задачи о расписании включения привода и выборе начальной конфигурации манипуляционной системы позволяет улучшать условие трогания робота с места (улучшает приемистость) за счет того, что уменьшается момент сопротивления, обусловленный силами тяжести, упругими силами и силами инерции.
Расписание включения приводов манипуляционной системы робота и ее энергодинамические характеристики
Если последовательно включать приводы в подвижностях А, В и С, то в этом случае система будет иметь последовательно одну степень подвижности, так при вращении системы А, В, С, D вокруг оси А (звенья 2 и 3 неподвижны то есть ABC представляет жесткую систему) она будет иметь одну степень подвижности и в качестве обобщенной координаты имеем угол поворота gl.
Направляем ось Zi вдоль оси вращения, Iz -момент инерции системы ABC D относительно оси вращения, равный Iz = Ij+ h + Із » G\ G2 , G3 , Grp Ill активные силы. Число уравнений Лагранжа при наличии идеальных и голономных связей равно числу степеней свободы, то есть числу обобщенных координат, то в данном случае следует записать уравнение Лагранжа для обобщенной координаты qx.
Если провести анализ полученных результатов решения уравнений Лагранжа для различных расписаний включения проводов в подвижностях А, В, и С при различных начальных конфигурациях, можно определить наиболее рациональное расписание включения приводов в подвижностях манипуляционной системы, чтобы получить наименьшие энергозатраты приводов при движении звеньев, а также получить коэффициенты перегрузок в заданных пределах.
Таким образом, для определения наиболее рационального расписания включения приводов необходимо провести оптимизацию уравнения движения манипуляционной системы по величине движущего момента. При этом надо рассмотреть все возможные варианты включения приводов, в том числе, и вариант, когда будут одновременно включены все три привода, то есть одновременно будут перемещаться все звенья. При решении задачи оптимизации необходимо уравнение движения манипуляционной системы рассматривать с учетом нагрузочных характеристик двигателей, то есть зависимости скоростей от моментов каждого двигателя в переходном процессе. Нагрузочные характеристики получим согласно законам движения звеньев манипуляционной системы робота, которые определяются расписанием включения приводов, то есть в результате синтеза оптимальных движений.
Для более глубокого анализа протекания потока энергии в манипуляционной системе необходимо изучение изменения мощности по времени для каждого интервала движения и расписания включения приводов. Приведенная формула позволяет определять величину добавочного сопротивления (т.е. условия регулирования работы электродвигателя) для получения такой характеристики электродвигателя N; = Micoi, которая обеспечит наилучшие условия энергоотдачи при выбранном расписании включения приводов.
Рассмотрим пример, приведенный в 3.1, т.е. приводы включаются последовательно в соответствии с расписанием, приведенном в таблице 4.1. В этом случае система будет иметь последовательно одну степень подвижности и, следовательно, можно последовательно определить необходимые движущие моменты приводов.
Решая эти уравнения, для различных режимов включения приводов и построив графики Nlfl(q), можно выбрать тот режим включения приводов, при котором динамические характеристики будут наименьшими, а следовательно, будет требоваться меньший момент движущих сил для их преодоления. Кроме того, используя семейство кривых (рис.4.8), можно получить включения приводов в подвижностях манипуляционной системы такое расписание, при котором получим наилучшие условия энергоотдачи и при определенных параметрах регулирование электропривода.
Имея механические характеристики электродвигателей в подвижностях А, В, С (рис.4.10) можно выбрать ту характеристику, которая обеспечит наилучшую энергоотдачу при заданном расписании включения приводов.
Решая задачи, связанные с уменьшением энергозатрат нужно также учитывать изменение инерционных нагрузок, возникающие при движении звеньев по заданному расписанию движения. В этом случае изменения динамических характеристик робота можно определить, используя принципы Гаусса. Принцип Гаусса является вариационным принципом дифференциального типа, т.е. позволяет получить уравнения движения системы при наложенных связях, как голономных, так и неголономных (Принцип Даламбера - Лагранжа справедлив только для голономных и линейных неголономных связей). В основе принципа Гаусса лежит понятие принуждения, под которым понимают меру отклонения истинного движения, происходящего при наложении связей, от свободного движения, которое имело бы место в их отсутствие.
«Принуждение» - скалярная величина, имеющая в каждый момент времени смысл (для системы материальных точек) квадратичного отклонения истинного ускорения от ускорения свободного движения, то есть эта величина характеризует отклонение истинного значения инерционных нагрузок от инерционных нагрузок в свободном движении.
Таким образом, «принуждение» характеризует колебания инерционных нагрузок, а в конечном счете, колебания тех сил и моментов, которые необходимо преодолевать приводам.
Исходя из вышесказанного, можно составить две группы систем уравнений, решая которые можно определить влияние расписания включения приводов на динамические характеристики робота.
