Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Робототехника автоматизированного сервиса отраслей промышленности и сферы быта
1.1 .Проблемы автоматизации. Анализ рабочих зон сервиса 30
1.2.Кннематика манипуляторов 39
1.3. Функциональные возможности 49
1 .^Формирование сервисного пространства 51
1.5.Энергетическая эффективность 53
Кб.Структуры систем управления робототехническимн комплексами и установками
па основе ПЭМС 57
Выводы по главе 66
ГЛАВА 2. Элементы механики и особенности расчета возмущающих воздействий в системе управления планарным основанием манипулятора
2.1 .Системы координат 68
2.2. Возмущающие воздействия на основание манипулятора . 73
2.3.Оценочный расчет возмущающих воздействий 16
Выводы по главе 86
ГЛАВА 3. Концепция выбора рациональной модификации исполнительного модуля планарной системы управления
3.1 .Определение основных параметров ПЭММ 87
3.2.Выбор ПЭММ по способам возбуждения электромагнитной системы 91
З.З. ВыборПЭММ по критерию минимальной тяговой сипы 94
3.4.Выбор ПЭММ по критерию максимально-допустимого разворачивающего
момента - 96
3.5.Влияние сервисных воздействии манипулятора на магнитовоздушпуга опорупланарного электромеханического модуля 100
3.6.Алгоритм выбора планарного ЭМП системы управления основания манипулятора 1 (I
Выводы по главе 115
ГЛАВА 4. Способы управления и устройства для повышения надежности план арных электромеханических систем
4.1.Способ управления и устройства с полной фиксацией якоря ПЭМС 117
4.2. Способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря ПЭМС 120
4.3.Способ управления и устройство с частичной фиксацией якоря ПЭМС 127
4.4.Способ управления ПЭМС с активным выравниванием зазора между якорем и индуктором 131
4.5.Варианты конструкций ПЭММ с повышенной надежностью к продавливанию мапштовоздушной опоры , 136
4.6.План ар пая система управления с использованием датчиков ускорения 143
Выводы по главе 152
ГЛАВА 5.Математические модели и исследование основных управляющих режимов планарной электромеханической системы
5.1 .Математическое описание планарной системы управления основания манипулятора 154
5.2.Исслсдование планарной ЭМС управления в условиях возмущений манипулятора 160
5.3.0бобщеппые математические модели ПЭМС с особым представлением управляющей программной координаты движения поля 171
5.3.1.Проверка адекватности полиномов и оценка значимости коэффициентов регрессий 181
5.4.Математичсская модель ПЭМС в реальных координатах 183
Выводы по главе 190
ГЛАВА 6. Современные методы исследований и особенности развития управляющих структур электромеханических и мехатронных систем
6.1.Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических и мехатронных систем 194
6.1.1 .Параметрический синтез ПИД регулятора 198
6.1.2.Алгоритм генерирования управляющих правил 198
6.1.3 .Установка весового параметра а 200
6.1.4.Логический вывод управляющего воздействия 201
6.1.5.Упрощение управляющих правил ' 204
б. 1 ^.Моделирование нечеткого алгоритма управления 206
6.2.Принципы формирования оптимальных траекторий и алгоритмов управления планарной электромеханической системой 207
6.2.1 .Проблемы координирования управления ПЭМС 208
6.2.2.Комбинированное управление ГДС 211
6.2.3.Использование метода «ветвей и границ» 214
6.2.4. Метод разреженной «прямой коллокации» 215
б.2.5.Пример оптимизации технологических маршрутов 216
б.З.Проблемы ограничений и некоторые особенности сетевого управления 218
б.З.І.Робототехничсский комплекс - сетевая структура исполнительного уровня управления 218
6.3.1.1. AS-интерфейс 219
6.3.1.2. CAN-интерфейс 221
б.ЗЛ.З.Особснности управления в робототехпическом комплексе 223
6.3 Л .4.Особенности управлення в сфере быта 229
Выводы по главе 234
ГЛАВА 7. Анализ результатов экспериментальных исследований основных управляющих режимов планарной электромеханической системы
7.1.Макет базовой модели манипулятора и схемы экспериментальных исследований 236
7.2.Статистическая оценка результатов экспериментов 240
7.3.Анализ качества динамических процессов и оценка адекватности математической модели ПЭМС 243
Выводы по главе 249
ГЛАВА 8. Особенности интерфейсов в электромеханических и мехатронных системах исполнительного уровня управления
8.1.Примеры способов цифрового измерения скорости и особенности их реализации в управлении ЭМС 250
8.1.1 .Способы цифрового измерения скорости 251
8.1,2.Программно-аппаратные особенности организации интерфейсов для измерений скорости Б системах управления 257
8.1.3.Особенности интерфейсов цифро-аналогового преобразования 262
8.2.0собенности организации интерфейсов при реализации управления ЭМС с асинхронной машиной 267
8.2.1. О современных тенденциях в управлении асинхронными ЭМС 267
8.2.2.Особенности организации интерфейсов в системах управления ПЧ-АД на полностью управляемых ключах 269
8.2.3.0собенности интерфейсов в системе управления стенда для испытания насосов 279
8.2АОсобенности организации интерфейсов в двухпроцессорной электромеханической системе управления для высокоскоростных
технологий 292
В ы воды по главе 2 99
Заключение - выводы по диссертации 301
Литература
- Функциональные возможности
- Возмущающие воздействия на основание манипулятора
- ВыборПЭММ по критерию минимальной тяговой сипы
- Способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря ПЭМС
Введение к работе
Стремление человека к эффективности и комфортности труда - естественно. Для удовлетворения этих потребностей человек постоянно разрабатывает и создает различные элементы, устройства и системы управления, используя их для автоматизации, прежде всего, монотонного, физически тяжелого и опасного труда во многих сферах деятельности. Многообразие сфер нашей жизнедеятельности, многообразие технологических процессов, эффективная реализация которых требует их автоматизации, бесконечно. Основой автоматизации любого технологического процесса являются эффективные объектно-ориентированные системы управления и устройства. Качество реализации технологического процесса во многом и предопределяется именно качеством функционирования создаваемых устройств и систем управления.
В широком классе элементов производственной технологической автоматизации особое место занимают устройства и системы управления для роботизированных технологических процессов, автоматизация которых предъявляет к системам специфические требования и создает им особые условия функционирования. "Поле" роботизации технологических процессов расширяется не только в промышленных отраслях, но и в сфере быта, реализация автоматизации которой, наряду с решением чисто технических задач, требует учета психологических "взаимоотношений" "умных" технических устройств и человека, часто не обладающего необходимым уровнем информационно-технической грамотности,
В настоящее время, по крайней мере, в высокоразвитых странах для решения задачи удовлетворения потребностей человека в производственной эффективности и бытовой комфортности значительное внимание уделяется развитию робототехники - одной из самых высокоинтеллектуальных областей человеческих знаний и достижений. Практическая реализация роботизированной автоматизации должна быть эффективной, чего нельзя обеспечить без соответствующей современной элементной базы и создания па ее основе управляемых устройств и систем, реализующих новые технологии для улучшения элементной базы вновь.
Несомненно, важным фактором реализуемости таких устройств и систем управления является электроника, потому что именно электроника является основой компьютеров, современной интеллектуальной техники, телекоммуникационных систем связи и безопасности, именно электроника является глубинной основой интеллекта управляющих систем различного назначения [48,177]. Успешно осваиваемые человеком высокоэффективные "паносекундные технологии" позволили создавать удивительные микрочипы, содержащие миллионы транзисторов внутри кристалла. Например, корпорация Intel уже создает микрочипы для Pcntiuma - 4 с разрешением в 0,13 мкм, а ее постоянный конкурент - корпорация AMD недавно представила прототип своего тера-герцового КМОП-транзистора, затвор которого имеет длину 15 нм, в результате чего он способен выполнять 3,33 триллиона переключений за секунду. К концу текущего десятилетия AMD обещает переход па технологию производства процессоров с разрешением в 0,03 мкм. Динамика происходящих процессов и современные тенденции развития иллюстрируются на рис.В.1, опубликованном Е.И.Юрсвичем и В.АЛопотоЙ в журнале "Мехатроника, автоматизация, управление", №-7 за 2002 год [49].
Тенденция очевидна, тем более, что физиками активно проводятся исследовательские работы уже и по созданию квантовых компьютеров, практическая реализация которых, наряду с возникающими проблемами по решению вопросов обеспечения надежности и безопасности управления, электромагнитной совместимости и помехозащищенности устройств и систем, несомненно, откроет широкие возможности создания систем управления с принципиально иным решением организации информационно-управляющей части системы.
размеры, м (ы) 10 U«) ю (ш) 1Q (нм) 10 (МКГЛ) 10
Рис.ВЛ.Динамика и тенденции развития элементной базы для создания систем управления
Все эти факторы кардинальным образом изменяет возможности человека при синтезе современных систем управления различного назначения: от простейших управляющих систем включения лампочек освещения, робототехиичсских устройств и комплексов в отраслях промышленности и сфере быта, сложнейших высокотехнологичных кластерных вычислительных систем и до орбитальных космических станций, доставивших более 30 лет назад на Луну мобильный робототехнический комплекс "Луноход". В настоящее время на Марс доставлен еще более совершенный робототехнический комплекс "Spirit" со спецификой локально-сетевого взаимодействия в реальном времени систем различного функционального назначения и особенностями удаленного управления ими с целью успешной автоматизированной реализации намеченных "технологических процессов" в условиях существенной неопределенности и множества ограничений.
Эволюция основных этапов и тенденций миниатюризации разрабатываемых элементов в робототехнике и автоматике, приведенная в [49], представлена на рис.В.2. f ^^~ механика зпектромеханика (механика + эле игротехника) мехатронияа (электромеханика + эпектроннка) м ик ро м<ха тро нмі а (микро механика + микро зле и тропика) наномехатроника (наиомехэника + наноэлечтроникэ) (ллкм) 10"
ЧрНТМЧСННЄ 7ЄЯІ№ТОГкН _ микросис те ММОН техники н создания сОотйетсТі/ніциі миТ&рнГЮВ технологии механического производила TexttOflQfHH межанччеСчога,
ЗПЄКтрот едиинесКОго н электронного производств
Рис«В.2. Этапы развития общей тенденции миниатюризации технических устройств, применительно к робототехнике и автоматике: сверху S-образных эволюционных кривых приведены названия этапов, а снизу - примеры соответствующих типов роботов
Для иллюстрации количественных тенденций на рис.В.З приведена гистограмма развития робототехнических устройств и систем примерно за последние 30 лет.
И 200000 о н о ю о а о ш ;П1972 91978
П2000
Япония США 3_Европа Другие
Страны по годам: 1972; 1978; 2000
Рис.В.З. Примерная ретроспектива количественных тенденций в развитии робототехнических устройств и систем
Бесспорным лидером в этой интеллектуальной гонке ведущих стран является Япония. Так в 1972 году подобных устройств и систем там насчитывалось примерно 1500 экземпляров, в 1978 году - уже около 7000, а к 2000 году их число возросло примерно до 284000. Япония превосходит в данном направлении и США и ведущие страны Западной Европы.
Следует заметить, что по "дореформенным планам рубежа 1985 года" [150] страны Совета Экономической Взаимопомощи - СЭВ должны были выйти в количественном отношении на уровень производства робототехнических устройств и систем Японии, однако, в основном, в связи с развалом СССР этого не произошло.
Тем не менее, следует отметить, что большой вклад в развитие теоретических и практических основ робототехнической отрасли и ее элементной базы со спецификой исследований и особенностями построения эффективных систем управления данного направления принадлежит многим ученым. Вот некоторые из них: Е.П.Попов, И.М.Макаров, К.В.Фролов, И.И.Артоболевский, Д.Л.Поспелов, П.Н.Белянин, Д.Е.Охоцимский, Ф.Л.Черноусько, Ф.М.Кулаков, В.М.Лохин, В.С.Кулешов, Н.А.Лакота, Е.И.Юревич, В.А.Лопота, А.С.Ющенко, Б.А.Ивоботенко, Г.В.Коренев, А.И.Корепдясев, А.Е.Кобрипский, П.Д.Крутько, В.В.Макаров, В.С.Медведсв, М.П.Романов, Ю.ВЛодураев, А.В.Тимофеев, А.Н.Тимофеев, В.С.Ястребов- [1-^28,30+35,37,39-43,56,58,67+71, 115,145] и другие.
Методы создания систем управления для роботизированной автоматизации своей универсальностью и многоцелевым назначением принципиально отличаются от методов построения традиционных автоматических систем. Роботизация технологических процессов базируется на создании, прежде всего, гибко управляемых многофункциональных технологических комплексов - совокупности взаимосвязанных устройств и систем управления реального времени, качественное функционирование которых требует учета многочисленных особенностей объекта регулирования в условиях ограничений внешней среды. Каждому типу события, согласно [41], должно быть поставлено соответствующее ситуационное управляющее решение. Упрощенная иллюстрация такого подхода и обобщенная структура современной системы управления приведены соответственно па рис.В.4 и рис.В.5 согласно [21].
Характерной особенностью интеллектуальной системы является реализация механизмов хранения и обработки знаний с целью выполнения "функциональных обязанностей" в условиях не строгой технологической детерминированности внешней среды. Для роботизированных систем управления эти факторы особенно значимы. Учитывая вышеотмечепные особенности, важными техническими задачами, возникающими при создании, особенно мобильных робототехнических систем, является повышение требований, прежде всего, к надежности и гибкости управления. В свою очередь решение этой задачи жестко связано с используемой элементной базой.
Основой большинства реализаций современных роботов, особенно на исполнительном уровне, являются управляемые электромеханические системы (ЭМС). Современные ЭМС, с позиций идеологии управления, представляют собой многоуровневые иерархии. Для получения высококачественного управления требуется использование современных управляющих технологий, к которым, согласно [2,21,22], можно отнести; методы и средства управления на основе создания экспертных систем [23,24;27,34,35]; * методы и средства нечеткого управления [25,26,36,37,38,115];
Рис.В.4.Иллюстрация ситуационного подхода к организации управления
Классификация
Цель управленні
Механизм логического вывода
Знання Г Т""«~
Программа достижении
Алгоритм ^ управления
Исп олнитсл ьны е механизмы
Механизм обобщения накопленного опыта її пополнения
Обьект управления
Измерительно- инфори ацної їй не средства
Некоитрояируемы е возмущения
Внешняя среда
Контрол ируемые возмущения
Параметрическая и структурная настроила алгоритмов управле- Коррекция программы Ьсстижения цела управления
Коррекция цыц управления
Рис.В.5.Обобщенная структура системы интеллектуального управления методы и средства нейросетевого управления [27,28,29,40]; методы и средства с использованием в управлении особенностей организации ассоциативной памяти [30,31,32,33].
На рис.В.б и рис.В.7, согласно [23], представлены: обобщенная схема и структура экспертной системы (ЭС) управления.
Экспертный регулятор
Регулятор
Объект управления
Рис.В.б.Обобщенная схема экспертной системы управления
Модуль приобретения знаний
Модуль советов и объяснений
Рис.В.7.Структура экспертной системы Для эффективного решения технологических задач структурные элементы ЭС, согласно [23], должны выполнять следующие функции: представление знаний по конкретному объекту управления (для реализации этих функций используется механизм, называемый базой данных - БД); представление знаний в конкретной предметной области и управление ими (для реализации этих функций используется механизм, называемый базой знаний - БЗ); осуществление логического вывода на основании знаний, имеющихся и БЗ (этот механизм называется механизмом логических выводов - МЛВ); пользовательский интерфейс для правильной передачи ответов пользователю; получение знаний от эксперта, поддержка БЗ и дополнение ее при необходимости (механизм, реализующий эти функции, называется модулем приобретения знаний); вывод заключений, представление различных комментариев, прилагаемых к этим заключениям, и объяснение их мотивов (такой механизм называется модулем советов и объяснений).
Все большее распространение находят системы управления, основанные на технологии нейронных сетей, поскольку весьма важно свойство их "обучаемости" в условиях нестабильности технологических условий и параметроз. Пример структуры неиросетевого управления приведен, согласно [29], на рис.В.8. ій —-KS)"
Объект управления
Рис.В.8.Структурная схема системы нейросетсвого управления
Многослойная нейронная сеть прямого распространения (МНСПР) осуществляет нелинейное преобразование входного пространства в выходное, которое можно описать как задачу классификации вектора входного пространства. МНСПР включается в прямую цепь передачи задающего воздействия g(t) и используется для построения на ее основе регулятора, па вход которого подается сигнал ошибки e(t) и его производные S', количество которых определяется размерностью дифференциального уравнения, описывающего объект. Чаще всего МНСПР настраивается так, чтобы обеспечить оптимальный по быстродействию закон управления u(t) в условиях возмущений m(t), действующих на объект управления.
Несомненный интерес представляет разработка регуляторов, сочетающих достоинства технологий экспертных систем и неиросетевых структур. В качестве примера на рис.В.9. приведена, согласно [27], структура системы автоматического управления с "умным" экспертным регулятором (ЭР) и идентификатором на неиросетевых структурах (НС). Eaja знаний
Идентификатор
Объект управлении
Рис.В.9.Структура системы управления с "умным" экспертным регулятором и идентификатором на неиросетевых структурах Синтез, основанный на симбиозе используемых в структуре технологий, открывает методологические основы построения "умных" обучающихся систем, обладающих высоким быстродействием и обеспечивающих направленный поиск оптимальных параметров, их сочетаний и флуктуации, рациональных законов управления в условиях нестабильности и неполноты информации.
Получившая широкое распространение в вычислительной технике технология ассоциативной памяти (АП - это устройство хранения информации, которое позволяет восстанавливать ее на основе ассоциации, т.е. по заданному сочетанию признаков, свойственных искомой информации [31]), расширяет свое значение и в системах управления, поскольку она, наряду с простотой программно-аппаратной реализации, позволяет на основе ассоциативных связей проводить классификацию состояния системы на качественном уровне и формировать эффективное управление. В рамках этой технологии могут быть реализованы все уровни иерархического информационного управления. На рис.В.Ю., в качестве примера, приведена, согласно [30], блок-схема системы управления с контуром подстройки регулятора на базе ассоциативной памяти. | F-, "А*"">*^ w — -* т — — —. — wot -F — *ш. ** **-*»** w ww ч,
Контур подстройки регулятора
Рецепторна система
Ассоциатн вна* память
Блок оценки качества
Эффекториая система
Регулятор
Преобразоаатьль
Объект управления
Рис.В.Ю.Блок-схема системы управления, построенная с использованием технологии АП
На вход рецепторной системы поступает вектор состояния объекта x3(t). Учет внешних возмущений происходит на этапе их оперативной идентификации АП, которая расценивает возмущения как изменение динамических характеристик объекта управления. Блок оценки качества управления реализует режим самообучение АП и формирует сигнал разрешения записи в АП. В процессе управления АП классифицирует входные векторы и формирует параметры регулятора.
Вышеприведенные примеры структур интеллектуальных систем управления требуют весьма полных и точных знаний об объекте, который может быть весьма строго описан математически лишь с какой-то доступной и достоверной точностью. Однако, в реальной действительности, особенно при управлении сложными динамическими объектами, достичь этого в полной мере удается далеко не всегда. Более того, весьма часто нет разумной необходимости проводить (особенно для систем реального времени!) "уже очевидные результаты расчета до конца", когда тенденция изменений управляющего воздействия ясна. В таких случаях "на помощь приходит" теория нечетких множеств, с помощью которой возможно формирование моделей объектов, технологических процессов на качественном понятийном уровне. Принцип несовместимости, выдвинутый ЛЛаде [36], о том, что сложность системы и точность, с которой ее можно анализировать традиционными математическими методами, в первом приближении обратно пропорциональны. Кроме этого, следует согласиться с авторами [25] в том, что применение классических методов для управления сложными динамическими объектами существенно ограничивается трудностями формирования единого критерия, охватывающего различные, а в некоторых случаях и противоречащие друг другу требования, например, необходимо одновременно повышать быстродействие системы и минимизировать ее энергетические затраты. Более того, часто условия автономного функционирования систем специального назначения характеризуются априорной неопределенностью и непредсказуемостью изменений рабочей обстановки. В таких случаях логико-лингвистические модели, полученные в результате описаний в терминах теории нечетких множеств, являются конструктивной основой для разработки алгоритмов и систем управления динамических объектов, функционирующих в условиях неполной информации.
Формализация понятия нечеткого множества базируется на использовании так называемой функции принадлежности [36], принимающей значения в интервале [0,1]: А=(|Ла(х),х), хєХ, ріл(х)є[0,1], - где: А - определяемое нечеткое множество; X - исходная базовая шкала; [Лл(х)- функция принадлежности.
Важнейшими логическими операциями, из числа разрешенных над нечеткими множествами, является пересечение, объединение и дополнение (отрицание). Их графическая интерпретация представлена на рис.В.12.
я*0О twW
Рис.В.12. Основные логические операции над нечеткими множествами (а-пересечепие; б- объединение; в-дополнепие)
В качестве примера на рис.ВЛЗ приведена, согласно [25], структура модели нечетких вычислений при решении задач управления. Btxmop входных параметров
Преобразование в нечетную форму (фаззнфнкацил)
Нечеткий логический вывод
База знаний
Вычисление Детерминированного управляющего воздействия (дефаэзификацня)
Вехтор выходных параметров
К объекту управлении
Рис.В. 13. Структура модели нечетких вычислений Эффективность применения таких моделей, во многом определяется и личным опытом эксперта, зависит от количества термов, используемых лингвистических переменных и вида функций принадлежности. Считается[25], что для большинства практических случаев лингвистические переменные должны обладать базовым терм-множеством, состоящим не более чем из 10 элементов.
Пример структуры системы управления с нечетким ПИД регулятором приведен на рис.В.14 согласно [39].
Фаззифи- ^«логи- Дефазт- kamop , фшатор *1І_Г" JQ-X-^ *" птгу* ТрС>- дМ-І № вывода Чї!ЬзсЬс.
Рис.В. 14.Структура системы управления с нечетким ПИД регулятором
Вышеприведенный анализ показывает, что для построения эффективных управляющих систем требуются соответствующие методы, основанные на современных технологиях и технических средствах, требуется разработка адекватных математических моделей, способных эффективно работать одновременно с различными типами переменных в условиях учета особенностей ограничений и неопределенностей. Однако, следует иметь в виду, что при всей значимости иерархических информационных уровней систем управления, при всей красивости, гладкости, "умозрительной" правильности и возможной "паттерности" решений на "высших" уровнях, наиболее важным является нижний (исполнительный) уровень, поскольку па нем весьма часто разработчика, наладчика и эксплуатационщика подстерегают трудно формализуемые "овраги неожиданности" и никакие "сверхумные" алгоритмы верхних уровней не смогут заставить выполнять целеуказательные команды, если их физическая реализация на силовом энергетическом уровне невозможна.
Именно поэтому основное внимание в дайной работе уделяется исследованиям свойств исполнительных мехатронных (электромеханика + электропика [49]) управляющих систем и устройств. При анализе возможностей и синтезе исполнительных систем управления с необходимыми техническими показателями доминантное место занимают вопросы обеспечения устойчивости, поскольку именно это, прежде всего, обеспечивает надежность роботизированных устройств, особенно в условиях автономного функционирования и неопределенностей внешней среды. Если не обеспечено данное эксплуатационное свойство системы, то нет смысла анализировать иные технические показатели. Поэтому значительное внимание в работе также уделяется исследованию особенностей аппаратно-программных интерфейсов микропроцессорных систем управления, поскольку они существенно влияют на надежность и эксплуатационно-наладочные свойства создаваемых систем.
Весьма перспективными объектами для использования в системах управления роботизированной автоматизации оказались электромеханические модули без кинематических преобразователей вида движения, в разработке которых па рубеже конца 70-х и первой половины 80-х годов прошлого столетия СССР занимал ведущее положение, о чем свидетельствовали разработки и перспективные планы развития этого направления в России (Московский энергетический институт - МЭИ, з-д Машшюаппарат, г.Москва), в Белоруссии (НПО "Планар" в лице конструкторского бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ, г.Минск), в Латвии (з-д "Эллар", г.Рига). Еще в конце 70-х годов XX века профессором Ивоботенко Б.А. (МЭИ) была предложена концепция организации сервиса рабочего пространства посредством использования таких модулей. Концепция была ориентирована, прежде всего, на создание элементов и систем управления для гибких автоматизированных производств (ГАП) с одновременным преодолением "узких мест", обусловленных использованием в традиционной "классической" робототехнике сложных в кинематическом отношении манипуляторов антропоморфного типа. Однако, в связи с затянувшимся временем дез интеграционных реформ в России развитие данного направления замедлилось, например, по отношению к образованному в 1992 году белорусско-германскому научно - производственному совместному предприятию СП "Рухсервомотор" (cM.caHT:, gis.minsk.by/-[50]).
Вместе с тем, современные мировые тенденции совершенствования высоких технологий, особенно электроники - ключевом звене развития управляющих технологий, позволили ведущим корпорациям (Motorola, Siemens, ST Microelectronics, International Rectifier и др.) создать интеллектуальные элементы-модули, что кардинально изменило и технологические возможности создания систем управления силовых преобразователей и их эксплуатационные свойства. Все это позволяет переходить к созданию электромеханических модулей со встроенными электронными вычислительными устройствами (такие модули принято называть мехатрониыми) и синтезу на их основе мехатрониых систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов. В сочетании с активным развитием управляющих сетевых технологий и уникальными возможностями таких модулей, эти тенденции выдвигают данную проблематику вновь в разряд актуальных, но на новом витке диалектического развития, поскольку открываются широкие возможности реализации ранее сформулированных подходов по формированию управляемых систем для более рациональной организации инфраструктуры сервисного технологического пространства в отраслях промышленности и в сфере быта.
Целью диссертационной работы является: разработка теоретических и методологических основ создания и совершенствования устройств и систем управления для роботизированной автоматизации технологических процессов на базе электромеханических и мехатронных модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью построения новых и модернизации существующих управляемых технологических производств-пространств с расширенными функциональными возможностями.
Для достижения вышеуказанной цели в диссертационной работе для исследования и защиты поставлены следующие основные задачи: провести сравнительный анализ рабочих зон сервиса и функциональных возможностей кинематических схем традиционных манипуляторов и манипуляторов на основе электромеханических и мехатрониых модулей без кинематических преобразователей вида движения с целью уменьшения избыточности рабочих зон сервиса и упрощения кинематических схем традиционных манипуляторов, с целью выбора базовой модели манипулятора на основе модулей без кинематических преобразователей вида движения и ее основного положения в поле гравитации с соответствующей организацией систем координат; разработать кинематическую модель план арного основания и получить оценочные аналитические зависимости для анализа взаимовлияния манипуляциотшого робота на подвижное основание, выполняемое в виде планарной электромеханической системы (ПЭМС*); разработать методику выбора рациональной модификации электромеханического модуля для системы управления планарного основания манипулятора; разработать способы, устройства и алгоритмы управления ПЭМС с учетом мапштовоздушной опоры, оптимизировать конструкции ПЭММ, обеспечивающие по отношению к аналогам повышенную надежность функционирования манипуляционных роботов в условиях действия на ПЭМС внешних разворачивающих моментов и неидеальной жесткости опоры между якорем и индуктором; разработать математические модели ПЭМС с учетом специфики влияния манипулятора на подвижное основание для исследования основных динамических режимов, уделив основное внимание исследованиям устойчивости; адекватность моделей подтвердить экспериментальными исследованиями; на основании анализа результатов исследований основных режимов ПЭМС в условиях возмущений со стороны манипулятора, разработать способы рационального синхрон носи пфазного управления ПЭМС, проанализировать их эффективность и выработать рекомендации для использования в автоматических системах; разработать методику синтеза нечеткого управления координатой планарной электромеханической системы; разработать принципы координированного управления ПЭМС для реализации рациональных технологических циклов; провести анализ основных свойств и характерных особенностей управляющих интерфейсов электромеханических и мехатропных систем управления различного назначения, модернизировав их с учетом особенностей возможных способов измерения регулируемых координат, возможных способов ШИМ управления, путем реализации этих особенностей в управляющих аппаратно-программных элементах и устройствах, повышающих эффективность систем управления для автоматизированных технологических процессов. * - с учетом современных тенденции к интеграции па подвижный якорь сенсорики с электронными устройствами для связи с управляющим микроконтроллером систему следует называть мехатршшой = (электромеханика+электроннка); однако, в работе принято единое исторически сложившееся обозначение -ПЭМС планарная электромеханическая система (без сенсорики на якоре) и электромехатронная (электротехннка+механика+электроннка) система (с сенсорикой), поскольку в настоящее время интеграция касается, в основном, информационной части системы.
Решение поставленных задач представлено в восьми главах диссертационной работы и приложении.
В первой главе диссертации рассмотрены и проанализированы основные проблемы и тенденции в автоматизации промышленности и быта со спецификой использования достижений робототехники. Так рассмотрены и проанализированы: рабочие зоны сервиса манипуляционных роботов с неподвижной стойкой и на подвижном основании, выполненном па базе ПЭМС [48,51,62]; рассмотрены и проанализированы функциональные возможности различных вариантов кинематических схем манипуляторов и выделена базовая модель манипулятора на подвижном основании [51,62]; получены аналитические зависимости для сравнительной оценки энергетической эффективности возможных траекторий при выполнении манипулятором па подвижном основании в региональной рабочей зоне транспортирующих операций [59,62,66]; предложены принципы организации сервисного технологического пространства в поле гравитации [62,66]; рассмотрены и проанализированы современные тенденции в развитии иерархических структур управления роботов [62,66], причем основное внимание уделено исполнительному уровню управления, поскольку именно на нем, в конечном итоге, и выполняются все целеуказатсльпые команды, поступающие от любого уровня системы управления.
Вторая глава посвящена рассмотрению и анализу элементов механики, выбору рационального математического аппарата, выбору кинематической модели для расчета возмущающих воздействий мапипуляционного робота па подвижное основание в виде ПЭМС [54,62], их количественной оценки с цепью использования при формировании управляющих воздействий для получения эффективных траекторий движении [79,62].
В третьей главе основное внимание уделено вопросам выбора рациональной модификации ПЭМС для основания мапипуляционного робота. В данной главе приводятся результирующие таблицы для сравнительного выбора наилучшей модификации. В качестве основных критериев рекомендуются следующие: выбор ПЭММ по эффективности способов возбуждения электромагнитной системы [62,82]; выбор ПЭММ по критерию минимальной тяговой силы [62,82,84]; выбор ПЭММ по критерию максимально-допустимого разворачивающего момента [62,82,85].
Проведена оценка влияния на эти критерии выбора специфики нагрузок манипулятора в условиях і іеид сальной жесткости магнито воздушной опоры и ограниченности ресурсов синхронизирующей устойчивости ПЭМС [48]; разработан алгоритм выбора пленарного электромеханического преобразователя энергии с учетом влияния со стороны манипулятора и частичной оптимизации сочетания параметров системы, исходя из оценки запаса энергетических ресурсов ПЭМС, которыми она располагает для устойчивого функционирования манипуляционного робота. Алгоритм реализован в платформенно-иезависимой среде Matlab с использованием пакета Simulink [82,199].
Четвертая глава, практически целиком построена на базе изобретений автора, посвященных решению ключевой проблемы в ПЭМС: обеспечению устойчивости и надежности функционирования в условиях действия внешних разворачивающих моментов и нсидеальной жесткости магнитовоздушной опоры между якорем и индуктором ПЭММ [48]. В данной главе предложены способ управления и устройство для реализации полной фиксации якоря на индукторе при недопустимых внешних воздействиях [94]; способы управления и устройства с комбинированной фиксацией якоря [95,96,102]; способ управления и устройство с частичной фиксацией якоря [97]; способ управления шганарпой системой посредством активного выравнивания зазора между якорем и индуктором ПЭММ [98]. Предложен ряд конструктивных решений план арных ЭММ, в которых обеспечивается меньшая вероятность потери устойчивости системы, построенной на базе таких модулей, и, кроме этого, дополнительно создаются положительные эффекты: улучшается охлаждение якоря и снижаются требования к пневмосети. Конструктивные решения ПЭММ также защищены авторскими свидетельствами [99,100,101]. В этой же главе рассмотрен эффективный способ управления динамическими режимами с повышенной устойчивостью якоря ПЭМС к развороту, который реализуется в замкнутой системе регулирования с использованием датчиков ускорения [48].
Пятая глава посвящена разработке математических моделей ПЭМС и исследованиям ее основных режимов [62,48]. В ней приведено математическое описание ПЭМС основания манипулятора. Проведены исследования основных динамических режимов в условиях взаимовлияния манипулятора. На основании анализа специфики взаимовлияния манипулятора на ПЭМС предложено разделять управление плечами координаты, обеспечивая синхронно-синфазное движение [62,89]; проведен анализ предложенных способов синхронно-синфазного управления ПЭМС, прежде всего, с позиций обеспечения устойчивости и выработаны сравнительные рекомендации для использования [48,62,176]. Предложенные автором способы синхронно-синфазного управления активно используются белорусско-германским СП ".Рухсервомотор" в своих современных разработках, например, в технологических установках зондового контроля печатных плат (приложение П9.1). Кроме этого, в главе представлены математические модели, которые, в отличие от традиционных моделей, имеют более "физичную" и адекватную системе управления реализацию задающей программной координаты движения поля [48].
Математическая модель ПЭМС в преобразованных d,q - координатах разработана для случая питания от источника'напряжения, поскольку любой источник питания со свойствами "источника тока" становится "нсидеальным" в режимах, при которых форсирующие возможности источника питания становятся недостаточными. Особенно это проявляется при работе в диапазоне высоких частот [48].
Математическая модель, разработанная в реальных физических координатах, является открытой для углубления, физически "прозрачной" для организации мониторинга параметров, которые необходимо контролировать как при инициализации системы управления, так и при диагностике нормальности эксплуатационных режимов при использовании модели в качестве наблюдателя [48,170].
Данные моделирования обработаны с использованием стандартных процедур статистической обработки результатов в соответствии с известной методологией теории планирования эксперимента. В результате получены регрессионные модели, удобные для оценочного анализа ПЭМС [48].
В шестой главе рассмотрены и проанализированы современные методы и тенденции в управлении, которые весьма эффективны уже сегодня [2,21ч-26,30-нЗЗ,48,50,115,145], а п условиях интенсивного развития информационных технологий станут более эффективными завтра [21,22,40,41,49,50,52,53,192,195^-198]. Так в шестой главе проведен начальный методологический анализ [48,52,118,140,156,197-^199]: эффективности стратегии нечеткого управления на примере синтеза ПИД регулятора по сравнению с классическим управлением; анализ показал, что «жесткость» настройки коэффициентов «смягчается», это делает систему более робастной, уменьшая негативное, в большинстве своем, влияние различных возмущений и ограничений, что положительно сказывается на качестве системы в целом; за счет возможности гибкой подстройки регулятора возможна компенсация иелинейностей объекта управления, что весьма важно для роботизированных систем [48,52]. принципов формирования рациональных траекторий и управляющих алгоритмов планарного основания в условиях иерархичности управления манипуляционного робота с «условно непрерывной» динамикой на нижнем уровне и «дискретной» логикой принятия решения на верхнем; проведены исследование ПЭМС, как нелинейной комбинированной системы, на предмет поиска рациональных алгоритмов управления на верхнем уровне [198]; влияния ограничении и некоторых особенностей сетевого взаимодействия микроконтроллеров степеней подвижности манипулятора через микроконтроллер тактического уровня управления [118,156,199]; некоторых особенностей, проблем и перспектив разработок систем управления для автоматизации сферы быта [118,140,196,197].
В главе проведен краткий анализ особенностей и перспектив использования в системах управления исполнительного уровня некоторых типов интерфейсов, в числе которых более подробно рассмотрены: AS (Actuators/Sensors interface) и CAN (Controller Area Network) интерфейсы, которые обещают быть весьма эффективными в системах автоматизации промышленных отраслей и сферы быта.
В седьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований основных режимов и параметров ПЭМС [48,62], проведенные па макете промышленного изготовления базовой модели манипулятора измерительно-управляющего комплекса. Экспериментальные данные обработаны с использованием статистических методов оценок. Поскольку законы распределения измеряемых параметров были неизвестны, то проверка их нормальности осуществлялась по критериям согласия, основанным на сравнении выборочной асимметрии и эксцесса с их дисперсиями. Экспериментальные исследования доказали адекватность исследований па математических моделях в главе 5. '
Анализ в заключительной восьмой главе показывает, что при всех тенденциях к обобщенности и унифицированности управляющих систем исполнительного уровня управления, весьма важными факторами надежности электромеханических и мехатронных устройств и систем, создаваемых на основе различного типа электрических машин: планарных шаговых (особой разновидности синхронных машин), асинхронных, коллекторных постоянного тока и т.п., - являются устройства аппаратно-программного интерфейса. Ими обеспечиваются необходимые протоколы обмена между микроконтроллером и управляемым преобразователем энергии, между сенсорными датчиками и микроконтроллером, "общение" одного уровня иерархии с другим [48,119,124,132,148,152^-155,174]. При всех тенденциях к унифицированности управляющих структур, каждой из них, в зависимости от особенностей объекта управления, присущи индивидуальные тонкости и особенности, которые во многом и определяют качество и надежность функционирования ЭМС. Так в главе отмечено, что характерной особенностью реализации интерфейса п относительно несложных микроконтроллерных системах управления (например, с асинхронными машинами - AM или с шаговыми - ШД), является то, что часто используется узкоформатная (8-разрядная) шина данных. Это ограничение ставит проблему одновременного получения в реальном времени необходимой точности регулирования по частоте и по напряжению [122]. Предложенный вариант аппаратно-программного "смягчения" этого ограничения приведен в главе. В главе представлены простые, но эффективные способы измерения скорости с учетом особенностей управления микропроцессорных систем. Приведена их аппаратно-программная реализация с возможностью сравнительной оценки способов по величине ошибки измерения и быстродействию [48,124]. Предложен вариант реализации интерфейса двухпроцессорной системы управления высокоскоростным технологическим комплексом испытания БИС (для ВНИИ ЭЛЕКТР ОНСТАНДЛРТ); межпроцессорный взаимообмен организован по методу прямого доступа к памяти, что позволяет уменьшить время дискретности и улучшить качество управления по отношению к однопроцессорному варианту. Рассмотрены особенности организация управляющих интерфейсов в системах управления с преобразователями на полууправляемых ключах для AM, успешное преодоление тонкостей и особенностей организации управления которыми позволило получить эффективные системы [48,129,130]. Например, модернизация системы управления ПЧ высокоскоростного автоматизированного комплекса ФГУП КБ ХИММАШ им.Л.М.Исаева позволила примерно в три раза сократить сроки испытаний выпускаемой продукции (приложение П9.2). Основные результаты диссертационной работы получены при выполнении: научно-исследовательских работ по комплексной проблеме "Роботы и робототехнические системы" в соответствии с координационным планом МинВуза СССР и Академии наук (ИМАШ АН СССР, раздел 16; рубрика 1.11.42., проект "Мир"; соисполнители: МЭИ (ТУ), конструкторское бюро точного электронного машиностроения - КБ ТЭМ (г.Минск), з-д Эллар (г.Рига), МГТУ им. Бауман а); научно-исследовательских работ по договорам МЭИ (ТУ) с ВНИИ ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ (г.Санкт-Петербург) и ФГУП «КБ ХИММАШ им. А.М.Исаева» (г.Королев); научно-исследовательских работ кафедры автоматизации производства и управления МГУ сервиса по следующим темам: "Микропроцсссоризация оборудования и технологий бытового назначения" (утверждена Ученым Советом 24.11.1995 г.) и "Разработка и исследование современных средств управления бытовой техникой и технологиями" (утверждена Ученым Советом 30.01.2003 г.); исследований по проблематике гранта совместно с научно-исследовательским центром "Прикладной информатики и электроники" Франции (LG12P) - центра разработки моделей и технических средств управления сложными техническими системами, включая сетевые телекоммуникационные структуры, системы и средства выработки управляющих решений (Приказы МГУ сервиса №-2082/4 от 28.12.01, №-630/4 от 14.04.03 и №-5б/4 от 26.01.2004 - приложение П9.9.).
В заключении - выводах диссертации обобщены основные результаты работы, а в приложениях приведены справочные материалы, примеры некоторых разработанных программ, технические характеристики ряда интерфейсов и акты об использовании результатов диссертационной работы в отраслях промышленности и сфере быта (приложения - П9.1-гП9.6), в учебном процессе (приложения - П9.7;П9,8).
Результаты более чем двадцатилетней работы автора по данной проблематике отражены в двух монографиях, трех учебных пособиях и электротехническом справочнике (МЭИ, 2002 г.) в 27 докладах на научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в 23 статьях, в 12 авторских свидетельствах.
Монографии:
I.Мельников Н.В. Электромеханические системы в автоматизации и робототехнике//Монография. - ИИТ МГУ сервиса, 2003, - 320с.
2.Мельников Н.В,, Сафонов Ю.М. Электропривод роботов.//Под ред. Б.А.Ивоботенко. "Электропривод и автоматизация промышленных установок", Государственный комитет по науке и технике, Академия наук СССР (Итоги науки и техники), ВИНИТИ, М.,1983,т.8,80 с.
Учебные пособия, справочники, методические указания:
1 .Электротехнический справочник "Использование электрической энергии"//Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл.ред.А.И.Попов), т.4, 8-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МЭИ,2002,-
2.Мельников Н.В. Элементы микропроцессорных систем бытовых устройств. Технические средства и методы отладки//Учебное пособие. - Изд-во МГУ сервиса,2002, 104с. (гриф УМО
МО РФ).
З.Мельников Н.В. Методические указания "Измерение скорости в микропроцессорной системе электропривода" по курсам "Программирование МПС" и "Системы управления электроприводов" //Изд-во МЭИ, 1995,17с.
4. Мельни ков Н.В., Удалова Н.Е. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Технические средства микропроцессорных систем'У/Учебное пособие. -
М., МГУ сервиса, 1999,60с.
5.Мельников Н.В. Электронные и микропроцессорные устройства бытовой техники. Раздел: "Диагностика и эксплуатация микропроцессорных систем" //Учебное пособие, М.,МГУ сервиса, 2000,96с.
Авторские свидетельства:
1. Мельников Н.В. А.С. №-1474768 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления планарньш шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1989.-№-15.
2.Мельников Н.В. А.С. №-1601732 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления планарньш шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1990.-№-39.
3.Мельников Н.В. А.С. №-1833097 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Устройство для управления пленарным шаговым электродвигателем// Открытия. Изобретения. 1991.-№-17.
4.Мсльников Н.В. А.С. №-1601733 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Планарньш шаговый электропривод// Открытия. Изобретения. 1990,-№-39.
5.Мельников Н.В. А.С. №-1539953 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Способ управления планарньш шаговым электродвигателем па воздушной опоре.// Открытия. Изобретения. 1990.- №-4. б.Мелышков Н.В. А.С. №-1398040 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Двухкоординатпый шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988.- №-19.
7.Мелышков Н.В. А.С. №-1762372 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Двухкоординатный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1992.-№-34.
8.Мельников Н.В. А.С. №-1365280 СССР МКИ Н 02 Р 8/00. - Плапарный шаговый электродвигатель.// Открытия. Изобретения. 1988,- №-1.
9.Мелышков Н.В. А.С. №-823929 СССР МКИ G 01 М 5/00. - Способ определения жесткости упругих элементов исполнительного механизма.// Открытия. Изобретения. 1981.-№15.
Ю.Кудрявцев А.В.,Мельников Н.В. ^Никольский А.А. А.С. №-1561180 СССР МКИ Н 02 М
7/515.Трехфазный автономный инвертор напряжения.// Открытия. Изобретения. 1990.- №-16.
П.Кирюхип В.М., Кудрявцев А.В.,Мелышков Н.В.,Никольский А.А. А.С.№-1707718 СССР
МКИ Н 02 М 7/515.Автономный инвертор папряжения.//Открытия. Изобретения. 1992.- №-3.
12.Мельников Н.В. А.С.№-1683167 СССР МКИ Н 02 Р 8/00 - Плапарный шаговый электропривод.// Открытия. Изобретения. 1989.- №-37,
Статьи, опубликованные в журналах общероссийского значения:
1.Мельников Н.В. Особенности автоматизации с использованием роботов и вопросы эффективности сервиса манипуляторов па подвижном основании//Мехатропика. 2001.№-9,с.45-50.
2.Мельников Н.В., Феоктистов В. А. Стратегия нечеткого управления планарных электромеханических систем //Мехатроника, автоматизация, управление. 2002.№-6,с.2-8.
З.Мельников Н.В. Робототехника - важнейший фактор автоматизированного сервиса будущего //Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2002. №-1,с Л 8-23.
4.Мельников Н.В. Особенности манипуляторов на основе плапарного шагового электропривода //Мехатроника.2002.№-3, с. 14-17.
З.Мелышков Н,В. Элементы механики и особенности манипуляторов па основе плапарного электромеханического модуля //Вестник МЭИ, 2002, №-1, с.32-35. б.Мельников Н.В. Электропривод устройств бытовой техники// Вестник МЭИ, 2000, №-2, с. 104-107.
7.Мельников Н.В., Беляев А.В. Особенности разработки микропроцессорной системы регулирования частотного асинхронного электропривода/ЛЗестник МЭИ, 1995, №-2, с.63-66.
8,Мелышков Н.В. Электроприводы в бытовой технике //Приводная техника, 1999, №-2, с.7-
9.Мельников Н.В., Пушмани Т., Лезер С. Способы измерения скорости в микропроцессорной системе электропривода //Вестник МЭИ, 1994, Кз-2, с.25-26.
Ю.Мельников Н.В., Феоктистов В.А. Проблемы ограничений в управлении системами сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2002, №-4(5),с.26-33.
11.Мельников Н.В. Информационные технологии в системах автоматизации и робототехнике//Мехатропика. 2003.№-8, с.52-54.
12.Мельников Н.В. Информационные технологии и робототехника - важнейшие факторы автоматизации систем сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса, 2003, №-
3(8),с.9-13.
Функциональные возможности
Качество выполнения манипуляционным роботом технологического процесса во многом зависит от функциональных кинематических возможностей его манипулятора, которые в значительной степени определяются углом сервиса в точке. Известно [8,71], что под углом сервиса в точке следует понимать пространственный угол, в пределах которого возможно изменение ориентации захвата манипулятора относительно бесконечно малой фиксированной точки: v-si . 0-13) S - часть поверхности сферы радиуса R с центром в Фиксированной точке. Ориентируясь на рис. 1.136, имеем Т = р(1 - cos iff). (1Л4) Полагая, что планарный электромеханический модуль обеспечивает р = 2л, получим Г = lcp{\ -cos у/), (1.15) Для вычисления величины сервиса манипулятора 9 = (l/V)jedV (1.16) необходимо знать коэффициент сервиса в точке, которым, по определению Кобринского [71], называется величина Є = ЧУ4тс, (1.17) показывающая какую часть от максимально возможного составляет фактический угол подхода к точке в зоне сервиса, В нашем случае e = SinV2. , -(1.18) Из вышеприведенных выражений следует, что угол и коэффициент сервиса в точке: а) для манипулятора без х,у-ШД и R Ф 0, ці Ф 0 Ч = О, 9 = 0, так как ср = 0; б) для манипулятора с х,у-ШД и R = 0 (см.рис. 1.11 а, 1. На) = 0,0 = 0, так как \\i = 0; в) для манипулятора с х,у-ШД, R Ф О, \\ Ф0 (см.рис. 1.116,1.146) 1 ф о, 0 Ф 0, так как ф Ф 0 и \/ Ф 0. Выражая плоскостной угол качания у через длину звена и необходимые перемещения манипулятора, имеем: \\f = Arccos(l - (y2+Z2)/2R2); (1.19) M Tt + zVR2), (1.20) Є = (Y2 + Z:)/4R2. (1.21)
Для простоты, в вышеприведенных формулах полагаем звено качания совпадающим с плоскостью ZOY. Так как Y,Z = f(R), причем Ymax R, Zmax 2R, то уже с помощью такой простой кинематической схемы манипулятора можно обеспечить в наиболее важных точках зоны обслуживания сервис близкий к максимальному: при Y = R -» 0, Z -» 2R, lF - 4л, 0 - 1. Рассматривая зависимости VF = fi(R) при Z = const и ЧР = f2(Z) при R = const, получим условие равенства угла сервиса в точке: R = Z -JRCWIIl Zamsl . (1.22) Из полученного выражения следует, что при длине звена качания "W «м const /] 24 для расширения функциональных возможностей манипулятора наиболее выгодно использовать звено качания в вертикальной плоскости. Фт/ Konst Zconst (1.24) При выполнении условия (1.24) наиболее выгодно изменять координату Z.
В качестве примера на рис.1.16 приведены зависимости f(R) и $г(Е). Из рис.1.16 следует, что при Z = R = 0,067м функциональные возможности одинаковы. Принимая во внимание, что изготовляемые линейно-поворотные модули обеспечивают Z = (10 40) мм, следует считать плечо качания и вертикальной плоскости необходимым звеном кинематической схемы манипулятора.
В качестве базовой выбираем модель, изображенную на рис.1.14а, как наиболее компактную. Основание и колонна этого простейшего манипулятора - два независимых модуля, каждый придает исполнительному органу робота две степени подвижности. Достраивая базовую модель дополнительными модулями, достигается высокая функциональная гибкость движений схвата. Так, дополняя ее модулем качания руки в вертикальной плоскости и модулем вращения запястья, получаем кинематическую схему манипулятора, имеющего шесть степеней подвижности. Кинематическая схема такого манипулятора изображена па рис. 1.17. индуктор и якорь планарного модуля; 3- линейно-поворотный модуль; 4 - модуль качания руки; 5 - модуль вращения запястья.
При относительной простоте кинематической схемы этот манипулятор способен выполнить широкий круг работ. Более того, если ориентироваться на х,у-ШД магнитоэлектрического типа, то возможны различные варианты положений манипулятора по отношению к полю гравитации (рис. 1.18), что позволяет рациональным образом формировать сервисное пространство [51,72].
Возможные компоновки манипулятора в поле гравитации Принимая положения на рис. 1.17 и рис. 1,18а за базовое (угол наклона основания к горизонту сс 0), необходима соответствующая алгоритмическая коррекция законов управления планарпым электромеханическим модулем: Fx=M-g-sina-cosS(t); (1.25) Fy = М- g- sina sinS(t); (1.26) NU = M g-r(t)-sina sin (t)-sin[3(t)-9(t)]; (1.27) где: Fx,Fy,Mz - соответственно тяговые силы и синхронизирующий момент; M,g - масса манипулятора и ускорение свободного падения; a - угол наклона якоря - основания; fl(t)-угол между осью ОХ и проекцией силы тяжести на плоскость основания; r(t)- радиус-вектор центра масс манипулятора в системе координат XYZ, связанной с центром масс основания; у(t)- угол между радиус-вектором r(t) и осью OZ; tp(t)- угол между осью ОХ и проекцией радиус-вектора r(t) на плоскость основания.
Энергетическая эффективность При решении задач автоматизации с использованием роботов, как в промышленности, так и в повседневной жизни человека, определяющими требованиями при создании роботов являются требования, реализация которых позволяет рационально выполнять основные функции прямого предназначения. Вопросы удовлетворения этим требованиям являются первичными. Однако, манипуляторы часто представляют собой сложные многозвенные механизмы и решение простой задачи, например, по переносу груза из точки в точку, не является элементарным, поскольку, согласно [8], из уравнения кинематики X - f(q) следует, что рабочее сервисное пространство X имеет размерность 3, а количество обобщенных координат q, как правило, всегда больше: 6-7. Это означает, что решение обратной кинематической задачи (преобразование f ) неоднозначно. В этом случае, естественно, при планировании траектории движения стремятся не просто удовлетворить необходимым требованиям, но удовлетворить их наиболее рациональным способом, В зависимости от задач, решаемых роботом, определяющие критерии оптимальности могут быть различными. В настоящее время, в условиях развития и совершенствования технологий энергосбережения, одним из определяющих показателей является энергетическая эффективность электромеханической системы манипулятора.
Возмущающие воздействия на основание манипулятора
Воспользовавшись методом координатных преобразований, определим, для произвольного момента времени t, координаты центра масс манипулятора в абсолютной системе отсчета согласно рис.2.3. Хм О cosq5 -sinqs sinqj cosqj О 0 0 О о 1 о qi pcosqucostp q2 pcosqusinq) 0 О 1 (2.9) Из (2.9) получим XN =[(0,5т з + m H)/(l + m 3 + m H)]Rxcos(cp +qs)cosqs+qi , yN =[(0,5 т з + m ,,)/(1 + m 3 + m „)]Rxsin((cp +q5)cosq&+q2. (2.10) (2.11) Где: т з=тз/піо т „ = т,/то, т м-тм/то - соответственно- относительные массы манипулятора, звена качания, полезной нагрузки и подвижного основания; R - длина звена качания.
Продифференцировав эти выражения дважды, получим проекции вектора ускорения, приложенного к центру масс манипулятора. Зная ускорение и массу, можно определить силу, приложенную также к центру масс. Для анализа работы электромеханической системы основания манипулятора её возмущающее воздействие необходимо привести к центру масс основания. При одновременном перемещении степеней подвижности q5 и q6 на основание действует сила Кориолиса [54]: Fki = (т з + 2m „)moRxdqs/dtxdq6/dtxsinp (2.12) р - угол между направлениями векторов линейной и угловой скоростей массы - (т з + 2т „)т0. При криволинейных траекториях основания также возникает сила Кориолиса: Ft2 =(m i +2mtlt)mi Rx.[ j(qJ1 + q22)fp„ (0]x dq% I clt x sin p, (2.13) где pk(t) - радиус приведения. Наиболее неблагоприятным моментом для электромеханической системы основания является случай совпадения векторов этих сил: Fk =(ія з +2m „)m0Rx(dq61dt)[dq51dt + (g,2 + 723 V Л № sin f3 . (2.14) Помимо силы Кориолиса на основание действует и центробежная сила сопротивления: /V =швЛ(0,5т з +т )[(dqsldty + (dq J dtf]x sin q6 . (2.15) Этими силами создаются как разворачивающий, так и опрокидывающий моменты: м„к = [Ф,5т з + т,,)1 !(тъ + m „))xm0R2(dqu/dt) i[(dqi/di) + + A2+ 2/A(/)]xsin2 76; Мт = (іи з + 2т.)m0R{dq6 /dt) х[(dqs і dt) + Jq +qz /pk(/)]x [Z01 + + [(0,5w j +т,„)/(т з +m „)]x Rcosq cosq ; (2.17) Mlin ,t_tJ„ = iQ,5m 2 + m ,,)m0Rs mq X[(dqs/di)2[ZQ1+[(0,5m\+m ,l)/(m i +m H)]x y Rcosq&] + (dq6/d()2xZ0l] + q] r (2.18) где: М01Ж, M0 ц_ст - соответственно опрокидывающие моменты от силы Кориолиса и от центробежной силы и статической составляющей веса манипулятора. При движении основания с ускорением, например по координате qi, дополнительно возникают разворачивающий Мр_ц_ми опрокидывающий Моп_цм моменты: 4 МР-Ч.» =( 5т з+т «)«оЛх? i sin?6 ; 2.19) ,Иі_ч» =(«J 3 +«i »)x[202 +[(0,5/« з +m „)/(m j +m „)]/fcos?6]хлг0д"і . (2.20) 2.3.Оценочный расчет возмущающих воздействий Для расчета необходимых сил и моментов в степенях подвижности манипулятора чаще пользуются не общими уравнениями динамики, а более удобными уравнениями Лаграижа второго рода, которые при отсутствии неголономных связей в системе в общем виде имеют следующий вид [81]: d/dt(5I7aaj)-(aL/aqj) = 0 0 = 1,2,... N), (2.21) где;Ь = Т - П - функция Лаграижа; Т,П - соответственно кинетическая и потенциальная энергия системы.
Так как в рассматриваемом типе манипуляторов связи являются голономными и удерживающими (в рабочем диапазоне электромагнитных сил и моментов), обобщенные координаты, при соответствующем управлении, можно считать независимыми, а действующие на систему активные силы определяются не только функцией П, то уравнения Лаграижа принимают вид: d/dt(5L/aqj)-(5L/aqj) = ( . (2.22) Qj - активные силы, не определяемые функцией П. Число уравнений равно числу степеней подвижности манипулятора. А)Обобщеішая координата q& (см.рис. 2.2). (2.23) (2.24) Обобщенная сила и кинетическая энергия соответственно равны: Qg6 = Mq6 - (in, + mH)-q-rcosq6 - Мтр; Tq6 = 1/2(J6 + (m3 + m XoVdt)3. Подставляя выражения (2.23) и (2.24) в уравнение (2.22), получим: Mq6 = JQ(J6 + jmax)-(d2q6/dt2) + J0(jma!/r)-q-cosq6 + Мтр . (2.25) Где: МЧ6 - электромагнитный момент; Jo - момент инерции основания относительно оси OZo; j6 - относительный момент инерции исполнительного двигателя; jmax - относительный момент инерции звена качания и полезной нагрузки; г - условный радиус звена качания; Мтр - момент трения. Б)Обобщепная координата q5. Аналогично Q,s Мч5-Мтр; (2.26) Tq5 = 1/2(J5 + Jmaxsin2q6)-(dq5/dt)2; (2.27) Mq5=Jo(i5+Jmaxsin2q6) (d2qj/dt2)+jmaxJ0sin(2q6) dqydt)-(dqu/dt)+M1p (2.28) где: Mq5 - электромагнитный момент; j5 - относительный момент инерции исполнительного двигателя. В) Обобщенные координаты qi,q2 (ПЭММ - основание манипулятора). Имеем Qql = Fqi ± Fcl; Q43 = Fql± Fc2; (2.29) Tq1 = l/2-M-(dqL/dt)2; Tq2 = l/2 M-(dq2/dt)2. (2.30) Тяговые силы по каждой координате основания соответственно равны: Fql =M(dq2,/dt2)± Fcl; Fq2 =M-(dqVdt2)± Fc2 , (2.31) Где: M - общая масса манипулятора; FC,FC2 - проекции всех сил сопротивления, действующих на основание.
Для анализа характера и количественной оценки величин возмущений, действующих па подвижное основание в виде ПЭМС и ограничивающих се синхронизирующие ресурсы устойчивости, на рис. 2.4 - 2.13 представлены возможные возмущения, полученные по вышеприведенным формулам с параметрами, представленными в табл.2.1.
Расчеты произведены в соответствии с кинематической схемой манипулятора со звеном качания в вертикальной плоскости, представленной на рис.2.2, и условной "плоскостной" схемой на рис.2.3, принятой для анализа условий работы плапарной электромеханической системы. Магпитовоздушиая опора между подвижным якорем и неподвижным индуктором планарного модуля принималась абсолютно жесткой. Электромагнитная взаимосвязь между координатами планарного модуля не учитывалась. Реакция планарной электромеханической системы на внешние воздействия предполагалась мгновенной. Это может быть обеспечено при питании фазных обмоток планариого модуля от источника питания со свойствами источника тока, что в настоящее время чаще всего и реализуется современными системами управления.
ВыборПЭММ по критерию минимальной тяговой сипы
Благодаря высоким динамическим, точностным и эксплуатационным показателям управляемая планарная электромеханическая система подвижного основания манипулятора используется не только в транспортирующих глобально-региональных перемещениях, но и в регионально-локальных. Благодаря усложнению функций, возложенных на основание, возрастают требования к правильному выбору х,у-ШД - электромеханического преобразователя энергии. Для выбора оптимальной конструкции принимаем критерий минимальной тяговой силы, способной сообщить основанию манипулятора заданное ускорение aj. Полагая воздушный зазор между якорем и индуктором х,у-ШД постоянным, определим значения необходимых тяговых сил для каждой из модификаций: F, = ( тикн + FciV(l - kFa/aT); (3.11) F2 = (a3mMk„ + Fc2)/(1 - kFa/aT(l + x)); " (3.12) Fj = (іцшик,, + Fc3)/(1 - k,aA(l + У) J (3.13) F4 = (atmMK + FcA)l{ 1 - kra A(1 + ІЦЗ + 4))) . (3.14) Где, соответственно: mM - масса манипулятора, кн - коэффициент полезной нагрузки, Fc_4 - активные силы сопротивлений, действующие на якорь со стороны манипулятора, KF -коэффициент запаса тяговой силы, ат -теоретическое ускорение, %я - коэффициент отношения удельных масс конструктивных и активных частей якоря и, наконец, % - рабочий ход, выраженный в долях ширины активной зубцовой зоны якоря.
Из графиков следует, что в диапазоне перемещений % = 0 6.67 вторая модификация имеет минимальную тяговую силу, что позволяет считать ее в указанном диапазоне оптимальной по энергетике. Представляют практический интерес зависимости предельно возможных ускорений модификаций в функции реализуемых перемещений в долях ширины активной зубцовой зоны якоря х,у-ШД. Так при вышеуказанных значениях параметров определены зависимости граничных значений ускорений агр = f(x), которые представлены па рис.3.9. Предельную величину перемещений для модификаций 2 и 4 определим исходя из условий физической реализуемости;
В манипуляторах, подвижное основание которых выполняется на базе планарной электромеханической системы, важным является обеспечение устойчивости основания к поворотным возмущающим воздействиям [62,85]. Ранее указывалось, что основание может быть выполнено в виде одной из четырех модификаций планарного электропривода, отличающихся друг от друга, в основном, конструкцией электромеханического преобразователя. Сравнительный анализ устойчивости проведем при условии, что манипулятору можно было бы сообщать заданное ускорение а3.
Допустим, что к якорю со стороны манипулятора приложен внешний разворачивающий момент Мр, манипулятор "всплыл", фазы координат якоря х,у-ЩД находятся "под током" и силы сопротивления Fc движению основания практически отсутствуют. D этом случае возникающий синхронизирующий момент примерно может быть оценен:
Зависимости М доп. = показывают, что в диапазоне перемещений % =0-0,35 наибольшим синхронизирующим моментом обладает модификация 3. В диапазоне % = 0 -0,74 наименьший допустимый разворачивающий момент имеет вторая модификация. При перемещениях основания % 0,35 наилучшей устойчивостью к разворачивающим воздействиям обладает конструкция х,у-ШД с двумя разнесенными координатами.
Вышеприведенные оценочные формулы позволяют получать значения, максимально-допустимых моментов Мтак_д0, плапарной электромеханической системы, отличающиеся от экспериментальных [82] не более, чем на ±15%(табл.3.1).
Основные формулы выбора оптимальной модификации планарного электромеханического модуля типа х,у-ШД по критерию максимально допустимого разворачивающего момента МмаКс_допі получены в предположении абсолютной жесткости магнитовоздушной аэростатической опоры подвижного основания манипулятора. Именно поэтому и не рассматривались сервисные перемещения колонны манипулятора по вертикали, полагая, что их динамические эффекты пренебрежительно малы. В общем же случае полученные формулы Ммаксдоіі Для каждой из модификаций необходимо корректировать с учетом возможных изменений воздушного зазора между якорем и индуктором электромеханического модуля х,у - ШД. Известно, что между якорем и индуктором планарного модуля практически нет механического трения
