Управление движением автономного мобильного телескопического манипулятора

Автономный мобильный манипулятор, установленный на колесном шасси — это сложная неголономная электромеханическая система. Задача об управлении движением манипулятора, установленного на подвижном шасси имеет большое теоретическое и прикладное значение. Мобильные манипуляторы — разновидность робототехнических систем. Исследования в этой области стимулируются многочисленными проблемами, возникающими в процессе деятельности человека. К ним можно отнести, например, работу в опасной среде или в среде с заранее неизвестными свойствами, выполнение операций, связанных с риском для жизни человека, таких как разминирование или исследование «подозрительных объектов», пожаротушение. Мобильный манипулятор по сравнению с манипулятором, имеющим неподвижное основание, система с другими свойствами и возможностями. В зависимости от поставленной задачи рассмотрение движения платформы представляет самостоятельный интерес. Поэтому исследование динамики автономного мобильного манипулятора актуальная задача.

Успешное функционирование устройства невозможно без изучения свойств его математической модели. Исследованию мобильных манипуляторов различных конструкций посвящены, в частности, работы [53, 54, 55, 85 — 90].

Достаточно полное изложение механики неголономных систем приводится в монографии Ю. И. Неймарка и Н. А. Фуфаева [64]. В книге, имеется большое количество ссылок на работы других авторов. Имеющие непосредственное отношение к материалам диссертации вопросы описания и исследования неголономных систем рассматриваются также в работах [17, 32, 39, 40, 43, 44, 49, 63, 65, 66, 73, 76]. В работах Девянина Е. А [27], Девянина Е. А. и Буданова В. М. [10, 11], Зенкевича С. Л. [29], Охоцимского Д. Е. и Мартыненко Ю. Г. [73], Мартыненко Ю. Г. и Кобрина А. И. [51], выводятся и исследуются уравнения движения трехколесных роботов, с двумя ведущими и пассивным самоориентирующимся (рояльным) колесами. Уравнения выводятся в предположениях, что робот движется по горизонтальной плоскости и, что его колеса не проскальзывают, т. е. рассматриваемая механическая система является неголономной.

В [10, 27] в линейном приближении найдены условия устойчивости движения такого робота при одинаковых постоянных напряжениях на обоих двигателях, исследована устойчивость стационарных точек на фазовой плоскости системы. В работе [25] анализируется возможность разгона двускатной тележки на шероховатой горизонтальной поверхности под действием внутреннего периодического момента сил, приложенного вокруг вертикальной оси вращения передней колесной пары.

Вопросы управления и устойчивости движения мобильных колесных роботов различных конструкций рассматриваются так же в работах [1,5, 12, 28, 30, 45, 46, 47, 50, 52, 62]. Задачи управления движением платформой мобильного манипулятора рассматриваются в статьях [56, 86, 89].

Для выполнения поставленной задачи мобильный автономный робот (МР) должен при движении следовать определенной программе. Исследование алгоритмов движения МР, при наличии различных датчиков на борту, проводится в работах Голована A.A., Гришина A.A., Жихарева Д. Н., Ленского A.B. [3, 5, 19], Гусева Д. М., Кобрина А. И., Мартыненко Ю. Г., [24, 26], Охоцимского Д. Е, Павловского В. Е. и других авторов [72, 74].

Разработка и отладка бортовых программ, реализующих алгоритмы решения поставленных перед реальным МР задач существенно ускоряется при наличии возможности предварительного полунатурного или виртуального компьютерного моделирования движения робота. Проблемы моделирования динамики мобильных роботов при выполнении определенных задач рассмотрены в работах [23, 33, 51].

Исследование динамики мобильных манипуляторов осложняется большим числом степеней свободы и громоздкостью системы уравнений. Высокие требования к быстродействию и точности приводят к необходимости создания моделей, учитывающих не только динамику всех звеньев конструкции, но и переходные процессы в электроприводах, а также упругие свойства элементов конструкции. Сложность расчета манипуляторов приводит к развитию матричных методов составления уравнений неголономных систем. Эти методы реализуются на компьютере с помощью систем символьных вычислений типа «Математика», «Maple». Для построения систем дифференциальных уравнений используются различные методы аналитической механики. Поскольку при отсутствии проскальзывания ведущих колес мобильный манипулятор рассматривается как неголономная система, то для описания его движения удобно использовать уравнения Аппеля [17, 64, 76] или уравнения Маджи [40, 64, 76].

В настоящее время ведутся активные работы по созданию мобильных манипуляторов. Далее приводятся снимки и краткие описания некоторых образцов.

Робототехнический комплекс «ОМАР» (рис.1) разработан в Научно-Производственном Объединении «Тарис» для ликвидации аварийных ситуаций в центральном зале и хранилище отходов ядерного топлива АЭС, однако может применяться и на химических предприятиях, а также на прочих объектах, связанных с повышенной опасностью.

Легкий мобильный робот (рис. 2) с системой автоматического вождения разработан в ЦНИИ Робототехники Технической Кибернетики. Предназначен для инспекции помещений, подземных коммуникационных тоннелей с использованием ТВ-камер или специальных приборов с дистанционной передачей информации, а также доставки грузов и других требуемых материалов. Управление может осуществляется, как дистанционно, так и в автономном режиме. Оснащение робота включает в себя телевизионные, инфракрасные рентгеновские и др. виды датчиков, многофункциональный манипулятор, инструмент и оснастку. Система управления мультиконтроллерная сеть.

Рис. 1 Робототехнический комплекс «ОМАР».

Малогабаритный подвижный робот (рис. 3) (ЦНИИ Робототехники Технической Кибернетики) предназначен для оснащения аварийно-технических центров АЭС, служб обеспечения безопасности на транспорте с целью проведения визуального осмотра и оборудования, поиска взрывоопасных, радиоактивных и других объектов, изъятия и транспортировки объектов, обеспечения их уничтожения.

На рис. 4 представлен мобильный робот МРК-25М (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Робот предназначен для поиска и эвакуации локальных источников гамма излучения. Может быть использован при выполнении штатных технологических операций на предприятиях атомной промышленности, при устранении последствий аварий на ядерно-физических установках, при природных катаклизмах или военных действиях. С помощью датчика гамма-излучения производится обнаружение локального гамма-источника, определяется направление на него. Гамма-прицел обеспечивает наведение схвата манипулятора на источник излучения для последующего изъятия.

Рис. 2. Легкий мобильный робот Рис. 3. Малогабаритный подвижный робот.

Малогабаритный мобильный колесный робот (рис.5) для наблюдения и нейтрализации взрывных устройств (сокращенно SON), специально приспособленный к работе в условиях города. Это дистанционно управляемое, малогабаритное устройство служит в качестве инструмента наблюдения и обезвреживания подозрительных объектов. Его высота настолько мала, что он может вкатываться под днище многих типов автомобилей. Установленные на его борту ликвидаторы могут разрушать самые разнообразные взрывные и зажигательные устройства. Робот оборудован сложной сенсорной системой и радиопередатчиками аудио и видео информации, что позволяет точно ориентировать его в пространстве. Робот может служить в качестве инструмента скрытого наблюдения.

Рис. 4. Мобильный робот МРК-25М Рис. 5. Мобильный робот.

SON.

Робот оборудован сложной сенсорной системой и радиопередатчиками аудио и видео информации, что позволяет точно ориентировать его в пространстве. Робот может служить в качестве инструмента скрытого наблюдения.

Уровень развития современных технических средств позволяет решать задачу автоматического управления движением. Именно поэтому во всем мире ведутся активные разработки в области «интеллектуализации» систем управления для МР. Существенное значение в этом направлении имеет создание экспериментальных макетов роботов и их систем управления (СУ).

На кафедре теоретической механики Московского энергетического института (ТУ) был сконструирован макетный образец программно управляемого автономного мобильного манипулятора (рис. 6).

Рис. 6. Мобильный манипулятор МЭИ.

Целью данной работы является создание математической модели и исследование уравнений движения автономного мобильного манипулятора. Разработка методов определения управлений, обеспечивающих заданное программное движение схвата манипулятора в автономном режиме.

В первой главе работы приводится описание конструкции мобильного манипулятора МЭИ, приводятся значения его основных параметров. С помощью системы символьных вычислений «МаЛетайса» составляются уравнения движения системы в форме уравнений Маджи, удобными для описания электромеханических систем [49]. Уравнения выписываются с учетом неголономных связей, наложенных на систему. В литературе по электроприводу [61] на основании малости характерных времен переходных процессов в электродвигателе делается предположение о малом влиянии их на динамику систем, в составе которых работают электродвигатели. Поэтому часто при описании движения электромеханических систем момент электродвигателя описывается линейным соотношением относительно напряжения, подаваемого на двигатель и угловой скорости вращения ротора. В данной работе каждый двигатель в составе мобильного манипулятора описывается двумя уравнениями: уравнением вращения ротора и уравнением, описывающим изменения тока в обмотках двигателя. Такой подход оправдывается тем, что учет динамики двигателей позволяет получить новый результат в задаче, которая рассматривалась ранее без учета переходных процессов в электроприводе [49]. Далее в первой главе приводится описание системы управления и алгоритма решения задачи снятия бильярдных шаров с вертикальных подставок с помощью мобильного манипулятора [54].

Во второй главе решается задача идентификации параметров электропривода и масс геометрических параметров платформы [70]. Мобильный робот представляет собой устройство с неоднородным и неизотропным распределением массы на борту. Наличие на борту источников питания (аккумуляторов), электронных блоков, исполнительных механизмов затрудняет расчет таких характеристик конструкции как момент инерции относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс, а также положение самого центра масс. Так как знание этих параметров необходимо как при моделировании движения робота, так и при написании алгоритмов для выполнения различных задач, то приходится определять их экспериментально. Несмотря на то, что экспериментальные методы определения упомянутых параметров хорошо известны и достаточно надежны, проведение измерений затруднено в силу особенностей конструкции МР. Кроме того, в процессе выполнения поставленной задачи робот может принимать на борт различные предметы, масса и количество которых, а также расположение на борту, неизвестны, что может привести к заметному изменению динамических характеристик устройства. Поэтому возникает необходимость определения массово геометрических параметров МР в процессе движения на основании информации, получаемой с датчиков, установленных на борту ' робота. Аналогичные задачи для шагающих роботов рассматриваются в [71]. В диссертации результаты идентификации сравниваются с данными, полученными экспериментально. Для более точной оценки параметров МР с помощью информации, получаемой с датчиков в процессе движения, приходится использовать уравнения движения, учитывающие не только динамику двигателей, но и потери на вязкое и сухое трение возникающие в редукторе, конструктивно объединенном с двигателем в одном корпусе. Поэтому рассматривается также задача идентификации параметров электрических двигателей ведущих колес платформы и двигателей манипулятора, поскольку для таких двигателей полная информация в справочной литературе не приводится [80]. Кроме того, по сравнению с обычными двигателями используемые в приводах мобильного манипулятора моторы-редукторы имеют большее количество деталей, между которыми в процессе взаимодействия возникает требующее идентификации трение, зависящее от качества смазки и износа деталей. В работе проводится сравнение величин параметров электродвигателей, получаемых разными методами.

В третьей главе исследуется влияние переходных процессов в электродвигателях на устойчивость движения мобильного манипулятора. Одним из параметров уравнений движения платформы является параметр т, характеризующий запаздывание в электродвигателях. Исследуется устойчивость стационарных движений платформы манипулятора при учете запаздывания в реакции двигателей на управляющие воздействия. Учет переходных процессов в двигателях ведущих колес дает возможность указать условия, при которых стационарные движения платформы оказываются неустойчивыми [56], что отличает данное исследование от известных ранее результатов [27].

В четвертой главе рассмотрена задача динамики и управления движением мобильного телескопического манипулятора, уравнения движения которого в данной главе строятся в виде уравнений Аппеля. В динамике манипуляторов часто возникает необходимость решения первой задачи динамики, то есть задачи определения управляющих сил и моментов по заданным законам движения. Решение этих задач для манипуляторов позволяет решать вопросы построения алгоритмов управления приводами системы. Идея предлагаемого алгоритма управления [53, 55] заключается в том, что программные движения схвата манипулятора, рассматриваются как неголономные связи, обуславливающие неопределенные множители в уравнениях Аппеля. Отыскание этих множителей дает эффективную процедуру нахождения управляющих моментов. Проводится численное моделирование движения мобильного манипулятора под действием управлений, определяемых по предложенной методике и обеспечивающих движение схвата по заданным траекториям.

Работа выполнена на кафедре теоретической механики и мехатроники Московского энергетического института (ТУ) под руководством профессора Ю. Г. Мартыненко, которому автор признателен за доброжелательное отношение и помощь в работе.

Автор благодарен коллективу кафедры и, в особенности, профессору А. И. Кобрину за неоднократные полезные обсуждения результатов работы.

Выводы к главе 4.

1. Рассмотрена задача управления движением схвата телескопического манипулятора, установленного на подвижной трехколесной платформе. Программные движения схвата манипулятора, рассматриваются как неголономные связи, определяющие неопределенные множители в уравнениях Аппеля. Отыскание этих множителей дает эффективную процедуру нахождения управляющих моментов.

2. По предложенной методике построены управления, обеспечивающие движение схвата по заданным траекториям. Найдены законы изменения управляющих напряжений и токов в электродвигателях, системы. Это позволяет произвести оценку реализуемости заданных траектории.

3. Выбраны оптимальные значения передаточных чисел редукторов привода манипулятора по критерию минимума энергозатрат при движении схвата по заданной траетории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. С использованием инструментальных средств системы аналитических вычислений «МаЛепШюа» построена математическая модель мобильного колесного манипулятора, учитывающая переходные процессы в электродвигателях.

2. Разработана методика идентификации параметров мобильного манипулятора по измерениям на борту манипулятора угловых скоростей ведущих колес, токов и напряжений электродвигателей ведущих колес.

3. Получены отличные от известных ранее условия устойчивости стационарных движений манипулятора при постоянных напряжениях на двигателях ведущих колес учетом переходных процессов. Исследованы типы траекторий решений динамических уравнений в четырехмерном фазовом пространстве в случае неустойчивости всех особых точек.

4. Предложена эффективная процедура нахождения управляющих моментов, обеспечивающих программные движения схвата телескопического манипулятора, установленного на подвижной трехколесной платформе.

5. По предложенной методике построены управления, обеспечивающие движение схвата по заданным траекториям. Найдены законы изменения управляющих напряжений и токов в электродвигателях системы и проведены оценки реализуемости заданных траекторий.

6. Произведена оценка энергетических затрат при различных управлениях манипулятором, обеспечивающих движение схвата по заданной траектории. Даны рекомендации по выбору оптимальных значений передаточных чисел редукторов привода манипулятора.