Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Роботизированная сборка представляет интерес для исследований по управлению манипуляционными системами в связи с тем, что соединение деталей осуществляется с помощью сложных и зачастую искусных движений. На время выполнения сборочных операций часто накладываются жесткие временные ограничения. Необходимость минимизации времени сборки сильно усложняет и без того трудную задачу построения управления движениями сборочной манипуляционной системы, однако это необходимо для того, чтобы обеспечить требуемый уровень экономической эффективности сборочного процесса.
Возможности современной техники позволяют реализовать роботизированную сборку весьма сложных изделий машиностроения. Однако до настоящего времени не удалось достичь достаточно высокого уровня экономической эффективности роботизированных производств. Это не позволяет считать имеющиеся решения оптимальными и служит основанием для поиска новых решений, которые обеспечили бы более полное использование функциональных возможностей манипулятора при выполнении им сборочных движений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке новых методов решения задач управления сборочными движениями, которые обеспечивают необходимую эффективность функционирования сборочной манипуляционной системы при использовании штатных средств управления.
Работа включает в себя:
поиск новых режимов движения, которые могут быть реализованы штатными средствами управления;
разработка новых способов управления сборочными движениями, которые позволяют шире использовать кинематические возможности манипулятора;
разработка эффективных методов решения задач управления движениями и обучения робота сборочным движениям;
исследование новых приемов управления и способов оптимизации сборочных движений на натурных макетах сборочных комплексов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа является теоретическим обобщением результатов экспериментальных исследований по разработке управления различными фазами сборочного движения.
Поиск режимов движения с необходимыми свойствами осуществлялся экспериментально в связи с тем, что трудноформализуемые сложные ограничения, которые накладывает система управления на движения манипулятора, делали невозможным применение аналитических и численных методов. Обнаруженные в экспериментах закономерности движения манипулятора позволили объяснить достаточную высокую стабильность основных па-
раметров найденных режимов движения. Алгоритмы движений отработаны в многочисленных разнообразных условиях применения.
Найденные режимы движения позволили получить новые решения задач управления для всех фаз сборочного движения. В работе доказывается оптимальность получаемых решений, теоретически исследуются необходимые условия успешного выполнения движений.
Большое место в работе уделено решению задач, возникающих при практическом применении разработанных методов. Необходимость этого связано с тем, что для практического применения наиболее удобными являются такие методы сборки, которые позволяют выполнить соединение всех деталей по единой технологии. По этой причине, а также в связи с тем, что исследования выполнялись в рамках работ по разработке новой техники, проводившимися различными организациями, для экспериментов использовались натурные макеты сборочных комплексов, предназначенных для многооперационной сборки целого узла, и управление всеми сборочными движениями совершенствовалось в такой степени, чтобы обеспечивалась высокая надежность сборки при наибольшей производительности.
Несмотря на очевидную сложность и трудоемкость, использовавшаяся методика исследований оказалась чрезвычайно полезной, так как позволила найти новые нетрадиционные методы решения уже известных задач и сформулировать некоторые новые задачи.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Новыми являются следующие результаты диссертационного исследования.
-
Исследование ограничений, которые накладывает система управления на реализацию сложных движений манипуляционной системы.
-
Решения задач управления движениями для всех фаз сборочной операции, которые могут быть реализованы с помощью штатных средств управления манипуляционной системой.
-
Способ аналитически-позиционного обучения движениям, разработанный с использованием найденных решений задач управления, который соединяет в себе преимущества аналитического и позиционного обучения.
-
Способы реализации сборки, которые позволяют учесть особенности кинематики манипулятора и его функциональные возможности по исполнению сложных адаптивных движений для существенного увеличения производительности некоторых сборочных операций и сборочного процесса в целом.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Исследования выполнялись по заказам промышленных организаций, которые были заинтересованы в отработке найденных решений с учетом конкретных условий применения мани-пуляционных систем. Поэтому созданные в процессе работы лабораторные комплексы одновременно использовались в качестве инструмента исследований и для демонстрации получаемых результатов.
Результаты натурных экспериментов показали, что разработанные методы управления и обучения движениям являются более эффективными, чем применяемые в настоящее время.
Впервые продемонстрировано выполнение сложных соединений промышленным манипулятором без использования силоизмерительного датчика, что позволяет упростить и удешевить конструкцию роботизированного сборочного комплекса. Продемонстрирована возможность оптимизации траекторий транспортных перемещений прямо на комплексе с использованием только штатных средств задания движений.
Разработана система обучения сборочным движениям, которая делает возможным уменьшить на порядок трудозатраты на разработку сложных сборочных движений при одновременном увеличении производительности сборки за счет использования оптимизированных макродвижений.
Показано, что разработанные методы могут успешно применяться не только в роботизированной сборке серийных изделий машиностроения, но и для выполнения сборочных операций специализированными технологическими манипуляционными системами.
Теоретическое обоснование предлагаемых методов управления позволяет наметить пути дальнейшего совершенствования манипуляционных систем и роботизированных технологий.
Большая часть исследований выполнялась в рамках хоздоговорных работ с Центральным научно-исследовательским технологическим институтом (ЦНИТИ). Часть исследований выполнялась в интересах ПО Нижегородский машиностроительный завод.
Результаты исследований использовались в работах, проводившихся различными научно-исследовательскими и конструкторскими организациями по заданиям и программам правительства (ВНИИСТРОЙДОРМАШ и НПО Энергия).
В диссертацию включена часть результатов этих исследований, которая касается методических вопросов управления движениями сборочной ма-нипуляционной системы.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Различные части работы неоднократно обсуждались на научных семинарах, конференциях и съездах в России и за рубежом. В том числе: на 3-м Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Киев, 1987), на 1-м Всесоюзном съезде технологов-машиностроителей (Москва, 1990), на 5-й Международной школе PRACTRO-90 (Болгария, 1990), на 7-й Всесоюзной конференции по управляемым механическим системам (Свердловск, 1990), на Международной конференции IEEE-35: Robotics and Automation (France, Nice, 1992), на Всероссийском семинаре по управлению системами с элементами искусственного интеллекта (Москва, 1993), на Отраслевой конференции по развитию космических систем обслу-
живания (Калининград, 1994), Международной конференции Адаптивные роботы и GSLT (Санкт-Петербург, 1998).
Разработанные методы управления успешно прошли межведомственные испытания в составе программного обеспечения сборочного переналаживаемого комплекса (КСП-1), по результатам которых получили рекомендацию для использования в отрасли.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована 31 работа. Содержание глав 2, 3 и 5 отражено в публикациях 1 - 3. Содержание глав 4-8 опубликовано в работах 4-12. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы.