Введение к работе
Актуальность темы. Мобильные роботы в настоящее время используются в промышленности и в средах, недоступных или опасных для человека, например, в космическом пространстве, под водой, а также в условиях высокой температуры и радиации. Одним из относительно новых направлений в развитии мобильных роботов является создание технологических роботов вертикального перемещения (ТРВП). Эти роботы способны выполнять технологические операции на поверхностях с произвольным углом наклона.
Последние несколько лет в развитых странах мира, таких как Япония, США, Англия и Германия, а также в России ведутся интенсивные исследования, направленные на создание ТРВП, которые могут перемещаться по горизонтальным, наклонным или вертикальным поверхностям. Такие роботы способны преодолевать или обходить препятствия, встречающиеся на пути их следования, выходить в требуемую начальную позицию и осуществлять различные технологических операции. Актуальность создания систем приводов ТРВП и робототехнических комплексов на их базе определяется необходимостью автоматизации широкого ряда работ, выполняемых в экстремальных ситуациях, а также возросшими требованиями к производительности и качеству технологических операций в условиях, где человеку опасно находиться или сложно выполнять действия самому.
Создание роботов для экстремальных сред предусматривается европейскими, японскими и американскими национальными программами по робототехнике. Актуальность и важность применения ТРВП для различных целей послужила основой для создания в 1996 году международного координационного центра по роботам вертикального перемещения CLAWAR на базе Портсмутского университета (Великобритания).
Экономическая эффективность использования ТРВП достигается за счет выполнения работ на больших высотах без специальных строительных лесов, навесов и других приспособлений, а также за счет экономии времени при выполнении операций. Однако, сохранение здоровья и жизни людей при использовании ТРВП имеет приоритетное значение.
Анализ характеристик разработанных ТРВП показывает, что они имеют повышенный вес приводной системы. Ограниченность функциональных возможностей определяется использованием педипуляторов, не способных адаптироваться к неровностям поверхности перемещения. Для сочетания мощности, надежности и возможности регулирования скорости при относительно небольших габаритах и массе необходимо применять комбинированные приводы ТРВП, позволяющие с помощью малых мощностей управлять силовыми элементами системы. При этом, широкий диапазон регулирования скорости позволит использовать один привод как для транспортных, так и для технологических движений робота, что приведет к повышению его производительности.
Учитывая специфику работы систем приводов ТРВП (СП ТРВП) на вертикальных поверхностях, где существенными являются ограничения на
собственный вес робота при необходимости обеспечения требуемой грузоподъемности, целесообразно использовать пневматические приводные системы, отвечающие указанным свойствам. Вопросам исследования приводных систем, в частности, пневматическим, применяемым в робототехнике, посвящены работы Е.В. Герц, Г.Н. Крейнина, В.Н. Дмитриева, В.Г. Градецкого, Б.Н. Бажанова, В.А. Королева, В.В. Баскарева, ВЛ. Краснослободцева и др. Наличие неравномерных и знакопеременных нагрузок на СП ТРВП в процессе его транспортных и технологических движений требует решения задач оптимизации его параметров.
Большой вклад в исследование вопросов оптимизации и разработки робототехнических систем внесли Ф.Л. Черноусько, И.М. Макаров, Д.Е. Охоцимский, Е.П. Попов, B.C. Кулешов, В.Г. Градецкий, Е.И. Воробьев, А.И. Корендясев, И.Б. Челпанов, Н.Н. Болотник, А.В. Синев и др. Были решены некоторые задачи по устойчивости шагающих механизмов на горизонтальной поверхности. Для повышения надежности функционирования ТРВП необходимо дополнительно провести анализ устойчивости СП ТРВП на вертикальной поверхности на основе измерения линейных и угловых скоростей его элементов, а также действующих сил и моментов, и оптимизировать режимы работы СП ТРВП по быстродействию. Для СП ТРВП в ряде случаев важно учитывать влияние упругой податливости в исполнительном звене привода при выводе оптимального закона управления для сохранения точности позиционирования, а также влияние величины максимально допустимого тока привода, что повышает надежность функционирования робота при любых режимах работы, вызывающих повышение потребляемого тока, без перегрузки двигателя привода.
Принципиальную важность в СП ТРВП имеют системы безопасности, которые обеспечивают возможность устранения сбоя в процессе движения робота или транспортировку робота в начальное положение с места нахождения робота во время отказа одной из систем. В известной литературе не определены взаимосвязи между условиями вьшолнения технологической операции и методом, обеспечивающим безопасность ТРВП. В связи с этим целесообразно разработать общий подход к созданию систем безопасности ТРВП.
Известны СП ТРВП для очистки металлических и бетонных поверхностей, однако, представляет большой практический интерес развитие разработок вариантов СП ТРВП для операций очистки стеклянных поверхностей, а также применение СП ТРВП в составе робототехнического комплекса дезактивации с перемещением технологического оборудования по выбранной траектории, в частности, в условиях неопределенности внешней ситуации при аварийных работах. Производительность вьшолнения операций дезактивации и очистки может быть повышена за счет совмещения приводных систем захвата и технологического инструмента. Не разработаны СП ТРВП для вьшолнения таких трудоемких операций, как сверление, монтаж дюбелей и других, требующих повышенных технологических усилий. Одним из вариантов выполнения инспекции, покраски, сверления, монтажа дюбелей, очистки, шлифовки и других операций является использование универсального ТРВП со сменными технологическими модулями. В связи с этим, ТРВП могут найти свое место в гибких автоматизированных производствах, особенно при обработке поверхностей большой площади. Создание ТРВП для проведения
противопожарных операций путем автоматического вырезания отверстий в стенках горящих резервуаров с целью введения средств тушения в область открытого огня позволит исключить использование людей в такой экстремально опасной для жизни ситуации. Система приводов в этом случае должна выдерживать работу в условиях высоких температур.
Разработка усовершенствованных схем и методов расчета рабочих режимов систем приводов ТРВП является решающим фактором повышения производительности роботов при выполнении ими технологических операций.
Таким образом, развитие теории расчета систем приводов для ТРВП и создание на ее основе специализированных систем приводов ТРВП, обладающих повышенной производительностью и расширенными функциональными возможностями при выполнении технологических операций, является научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы - разработка специализированных систем приводов роботов вертикального перемещения для повышения их производительности и расширения функциональных возможностей при выполнении технологических операций.
Цель работы достигается путем решения следующих задач:
- построение расчетных математических моделей СП ТРВП с учетом влияния
упругой податливости и крутильной жесткости в исполнительном звене
привода,
- обоснование выбора схем СП ТРВП в зависимости от решаемой
технологической задачи,
разработка методов расчета силовых элементов СП ТРВП,
оптимизация режимов работы СП ТРВП по быстродействию,
создание адаптивных схем вакуумных педипуляторов транспортной СП ТРВП,
разработка и исследование СП ТРВП при совмещении транспортных и технологических движений,
- выбор и расчет приводных систем безопасности ТРВП,
- испытание я анализ функционирования разработанных СП ТРВП для
различных технологических применений.
Объектом исследования в работе являются системы приводов технологических роботов вертикального перемещения. Методы исследования, использованные в работе:
математический анализ для построения расчетных математических моделей СП ТРВП,
методы теоретической механики и методы теории оптимального управления для оптимизации режимов работы СП ТРВП,
численные методы моделирования и методы газодинамики при расчете силовых элементов СП ТРВП и исследовании комбинированного привода для совмешения транспортных и технологических движений,
методы экспериментальной оптимизации для создания адаптивных схем вакуумных педипуляторов транспортной СП ТРВП и при расчетах рабочих режимов приводных систем.
Научная новизна. К основным научным результатам работы относятся:
- обобщение и развитие теории методов расчета элементов СП ТРВП,
состоящее в получении условий устойчивости робота на вертикальной
поверхности и определения его грузоподъемности, а также в оптимизации по быстродействию движений исполнительных звеньев СП ТРВП,
разработка принципов построения СП ТРВП и их классификация по различным технологическим критериям,
получение экспериментальных характеристик транспортной и захватной систем приводов СП ТРВП, необходимых для использования графических методов расчета, учитывающих конкретные условия эксплуатации робота,
- разработка структуры приводных систем безопасности ТРВП, а также метода
двухступенчатого захвата, позволяющего повысить грузоподъемность СП
ТРВП при работе на поверхностях с существенными неровностями,
- разработка алгоритмов функционирования и настройки СП ТРВП для
расширения функциональных возможностей ТРВП.
Практическая ценность работы определяется созданием
специализированных СП ТРВП, обладающих повышенной
производительностью и расширенными функциональными возможностями, для автоматизации широкого ряда технологических операций. Устройства разработанных СП ТРВП н способы их функционирования защищены авторскими свидетельствами.
Реализация работы была проведена путем применения созданных систем на различных предприятиях, в частности, в АО «МНТК РОБОТ», ВНИИПО МВД РФ и ГосИФТП, а также использованием полученных результатов в учебных заведениях, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы - основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 26-ти Всесоюзных и Республиканских конференциях, а также на 18-ти Международных конференциях и симпозиумах. Разработанные образцы приводных систем и технологических роботов вертикального перемещения демонстрировались на 3-х Всесоюзных выставках (три медали) и 4-х Международных выставках, а также на 1-ой Международной Олимпиаде роботов (две медали).
Публикации - по теме диссертации опубликовано более 100 печатных работ, включая 26 международных публикаций и монографию. Получено 39 авторских свидетельств и 3 патента.
Содержание и объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 216 страниц компьютерного текста с использованием шрифта Times New Roman Cyr 12, а также 147 рисунков, 5 таблиц и включает библиографию из 161 источника. Содержание диссертации полностью основано на опубликованных лично автором или в соавторстве работах, приведенных в библиографии. Ссылки на совместные результаты даны в соответствующих местах диссертации.