Автоматизация демонстрационных устройств

Актуальность темы

диссертации. В связи с интенсивным развитием рыночных отношений в нашей стране важную роль играет комплекс средств, содействующих продвижению продукции на рынки. Обычно ведущую роль в этом плане выделяют рекламе. Высокими наглядностью и действенностью обладает такая реклама, которая построена на демонстрации в движении реальных объектов, их элементов или макетов. Работающие демонстрационные устройства, стенды или демонстрационные установки также с успехом используются в обучении. В таких стендах интегрируются достижения механики и электроники, поэтому проблематика их создания может быть отнесена к мехатронике.

Демонстрационные стенды могут строиться исключительно на средствах электроники, в этих случаях движущиеся изображения создаются на экранах (экранах электронно-лучевых трубок, многоэлементных панелях, дисплеях типа бегущей строки и пр.). Однако этих средств далеко не достаточно для обеспечения действенности и выразительности демонстрации. Стенды с реальными устройствами или макетами, в которых реализуется настоящее, механическое движение звеньев реальных механизмов, оказываются незаменимыми.

Предназначенные исключительно для целей демонстрации машины или механизмы с автоматическим или автоматизированным приводом достаточно разнообразны и широко распространены, но до сих пор они не имеют самостоятельного статуса. В данной диссертации предлагается их объединить под названием демонстрационные устройства или демонстрационные роботы. Важнейшим признаком демонстрационных роботов следует считать механическое движение устройства в целом или относительное движение составных частей (в противоположность иллюзорному движению изображений на экране). Основными отличительными чертами демонстрационных роботов являются наличие не слишком простых механизмов, движение составных частей механизмов (реальное, физическое, а не лишь видимое движение изображений на экране), ориентация на зрительное восприятиекак и для других типов роботов другого назначения целесообразно придание свойств регулируемости и переналаживаемости. Если отсутствует движение, устройство не может быть роботом. Так к робототехнике не имеют отношения многочисленные компьютерные игры, при которых перемещения задаются вручную, игрушки с визуальной и звуковой сигнализацией типа тамагучи и пр. Очевидно, что не имеют права именоваться роботами демонстрационные устройства с самыми простыми, нерегулируемыми и неуправляемыми механизмами.

Исторический опыт показывает, что всегда был активный интерес к автоматам, которые не предназначались для утилитарных целей, не выполняли никаких производственных функций, а лишь демонстрировали сами себя или другие объекты, либо служат просто для развлечения. В течение многих веков такие роботы параллельно существовали, с одной стороны, в воображении, в виде фантомов в фольклоре и литературе, а с другой — реально, в виде заводных игрушек или механических автоматов. Известно, что широкое распространение реальные механические автоматы (с заводными пружинами, иногда с очень сложными механизмами) получили во второй половине XVIII и в начале XIX века в связи с развитием точной механики. В наше время подобные автоматы, которые можно относить к демонстрационным роботам, широко используются в рекламе (в частности, устанавливаются в витринах), в экспозициях на выставках, в парках и аттракционах, в кинематографии и на телевидении при имитации живых существ. Широкое распространение получили специализированные демонстрационные роботы как тренажеры (в том числе и интеллектуальные) для обучения или тренировки персонала, или при технической отработке больших, сложных и дорогостоящих технических средств (например, роботов-планетоходов). В роли демонстрационных могут выступать промышленные роботы, когда они не выполняют настоящие производственные функции (например, играют в шахматы), роботы космического назначения, которые пока не могут выполнять полезные операции и др. Первые модели роботов, которые называли промышленными, но сначала не находили применение на производстве, а экспонировались на выставках, по существу были демонстрационными.

Во всех случаях при разработке экстерьера любого демонстрационного робота обычно значительное место принадлежит дизайнерам. С другой стороны, современный демонстрационный робот представляет собой автоматически управляемую систему, часто с совершенным компьютерным устройством управления. Однако, есть все основания считать, что все же чаще всего основная проблематика создания демонстрационных роботов заключается в механике, начиная с выбора рациональных кинематических схем, и кончая созданием систем автоматического управления.

Несмотря на широкое распространение демонстрационных роботов и видимые достижения в создании отдельных образцов, они оказались вне поля зрения робототехники, как науки. Поэтому задача создания научных основ проектирования демонстрационных роботов представляется актуальной.

Цель диссертации заключается в создании научных основ проектирования механизмов некоторых групп демонстрационных устройств, а именно нового класса роботов — демонстрационных роботов.

Для достижения сформулированной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи:

— систематизация собранных сведений об истории демонстрационных автоматов различного назначенияопределение специфики требований к демонстрационным устройствам, исходя из обобщения опыта их создания и использования;

— анализ типажа существующих демонстрационных устройств и построение многоаспектной, возможно более полной их классификации по многим признакам;

— анализ кинематических схем некоторых реализованных антропоморфных роботов и выработка рекомендаций по их проектированию, исходя из требований к выполняемым движениям;

— установление принципов и способов стыковки механизмов демонстрационных роботов с двигателями приводов;

— формулирование новых подходов к анализу динамики движений демонстрационных роботов, основанных на экспертных оценках;

— исследование возможностей построения стационарного робота-гида, предназначенного для демонстрации размещенных в стандартной ячейке экспонатов, обоснование выбора числа степеней свободы кинематических схем и диапазонов изменения углов поворота звеньев механизмов такого робота;

На защиту выносятся следующие основные положения:

— автоматы, предназначенные исключительно для демонстрации, а не для выполнения производственных функций, многочисленны, известны по описаниям и должны стать предметом серьезных научных исследованийосновной отличительной особенностью демонстрационных установок, в первую очередь, демонстрационных роботов, которые целесообразно выделять в самостоятельную группу машин с автоматическим или автоматизированным управлением, является наличие управляемых механизмов с приводами, задающих программные движения, и ориентировка исключительно на внешнее зрительное восприятие;

— демонстрационные роботы могут демонстрировать или сами себя, или другие изделия, в зависимости от этого задается общий облик, выбираются прототипы, принципиальные и схемные решения;

— требования к демонстрационным роботам существенно зависят от исходного замысла и отчетливо разделяются на группы требований к общему облику и экстерьеру, к геометрии перемещений, к кинематике механизмов, к приводам и к устройствам управления;

— исторические сведения о демонстрационных устройствах и их аналогах могут быть полезны в части выявления исторического типажа и выполняемых функцийиспользование разработанной классификации позволяет структурировать базы данных (прототипов и их типовых элементов), необходимые для организации эффективного автоматизированного проектирования демонстрационных устройств;

— к числу наиболее распространенных относятся антропоморфные и зооморфные демонстрационные роботы, при их проектировании целесообразно опираться на данные о построении скелетов и расположении мышц живых организмов;

— одной из наиболее перспективных является задача проектирования стационарного робота-гида, указывающего лазерным лучом на демонстрируемые экспонатыв зависимости от конкретных требований для его механизма достаточно от двух до четырех степеней свободы;

— размещение приводов демонстрационных роботов может быть различным: последовательно по кинематическим парам (встроенные двигатели), параллельно по кинематическим парам (пристроенные двигатели), на выходном звене (весь механизм выполняется пассивным);

— использование гибких звеньев позволяет уменьшить число степеней свободы манипулятора при сохранении общего правдоподобия;

— при оценке динамических процессов в демонстрационных роботах предпочтение отдается критериям, воспринимаемым зрителем визуально, а именно согласованность движений по степеням подвижности, время и амплитуда перемещения, закон изменения скорости.

Основной материал диссертации разбит на 3 главы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору истории и современного состояния проектирования и создания демонстрационных устройств. Исходные сведения взяты из многих источников [11, 16, 18, 21, 36, 37, 44, 47, 54, 62, 64, 68, 74, 90, 94, 98, 110, 120, 121, 123, 135, 142]. В этой главе приведена подробная классификация существующих демонстрационных устройств по нескольким признакам. По результатам анализа формулируются основные задачи исследования в данной диссертации.

Во второй главе представлена предлагаемая методология анализа существующих демонстрационных устройств, основывающаяся на приведенной в главе 1 классификации. Подробно рассматривается кинематика антропоморфного робота, проводится детальный сравнительный анализ конструкции робота со скелетом и мускулатурой человека, выявляются недостатки его конструкции и формулируются предложения по ее модернизации с целью увеличения рабочей зоны. Кратко анализируется способ перемещения и кинематики шестиногих шагающих демонстрационных автоматов с электрои пневмоприводом.

Третья глава посвящена вопросам проектирования стационарных роботов-гидов. Рассматриваются различные подходы к созданию показывающих роботов и способы указания на демонстрируемые объекты. Проектируется рабочая зона робота-гида с одной приводной рукой при демонстрации с помощью лазерной указки, выдвигаются предложения по расширению рабочей зоны. По результатам анализа конфигурации рабочей зоны определяется минимальное количество степеней подвижности робота, демонстрирующего компактные объекты. Показано, что в общем случае для демонстрации компактного объекта достаточно четырех степеней подвижности манипулятора, но в частных случаях их количество можно сократить до двух. Рассматриваются различные типы приводов, применяющихся в демонстрационных роботах, вопросы компоновки приводов и способы их присоединения к подвижным звеньям механизма робота. Формулируются рекомендации по проектированию таких приводов. С помощью метода экспертных оценок на анимационной модели робота-гида с одной подвижной рукой, имеющей две степенями подвижности, оценивается качество динамических режимов, выбираются оптимальные.

10 законы изменения обобщенных скоростей, формируются ограничения по параметрам перемещения.

Основные выводы и рекомендации по диссертации сформулированы в Заключении.

Все основные результаты исследований, проведенных в диссертации, опубликованы в 4 работах, по материалам диссертации было сделано 5 докладов на всероссийских научно-технических конференциях в Улан-Удэ и семинарах кафедры «Автоматы» СПбГТУ.

Выводы по главе 3.

1. К одному из наиболее перспективных видов демонстрационных роботов относятся роботы-гиды, предназначенные для работы в ячейках выставок.

2. При современном способе организации экспозиций по изолированным ячейкам целесообразно выполнять роботы-гиды стационарными, устанавливать их неподвижно в центрах ячеек, а показывать демонстрируемые экспонаты лазерной указкой, перемещаемой движениями руки.

3. Рабочую зону робота-гида удобно представлять в виде фигуры на поверхности сферы больших размеров, центр которой совпадает с местом установки робота или в виде фигур на подходящим образом выбранных плоскостях.

4. Если все демонстрируемые экспонаты видны из центральной точки, то для руки робота-гида с лазерной указкой достаточно двух вращательных степеней подвижности.

5. В общем случае, если в соответствии со сценарием демонстрации задаются направления лучей в определенные точки демонстрируемого трехмерного объекта, механизм робота-гида должен иметь четыре степени подвижности.

6. В роботах-гидах расположение и способы вкомпоновывания двигателей приводов (пневмоцилиндров, электродвигателей с редукторами) может.

142 основываться на различных принципах: расположение в узлах кинематических пар по последовательной схеме, пристраивание приводов к каждому звену по параллельной схеме, приведение в движение концевого объекта самостоятельными приводами.

7. При демонстрации одного определенного объекта путем его перемещений и поворотов перспективным представляется способ, при котором демонстрируемый объект непосредственно перемещается системой приводов, а рука робота выполняется в виде пассивного механизма.

8. Для указанного способа широкие возможности предоставляет схема механизма в виде гибкой руки. Форма руки может изменяться при перемещениях в зависимости от параметров жесткости, способа присоединения и первоначального упругого изгиба.

9. Выбор параметров и динамических режимов движений робота-гида целесообразно проводить имитационным моделированием и контролировать по отображению на экране монитора, а затем вырабатывать окончательные рекомендации по результатам экспертного оценивания.

10. Дизайнерская проработка экстерьера робота-гида должна проводиться в соответствии с принятым принципом компоновки двигателей приводовв зависимости от замысла элементы несущих конструкций и приводов могут быть замаскированы или открыты. Возможно использование сменных наружных покровов робота-гида, заменяемых в соответствии с тематикой выставки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

К настоящему времени сложился и определился класс демонстрационных роботов, как автоматических машин, которые не выполняют производственных функций, а демонстрируют сами себя или различные объекты на выставках и презентациях, они используются также в кинои видеоиндустрии и т. д. Особое место занимают антропоморфные и зооморфные демонстрационные роботы .

1. Показано, что специфика демонстрационных роботов проявляется на всех этапах проектирования, начиная с формулировки требований, выбора схем и элементов, и кончая созданием конструкций.

2. Для автоматических демонстрационных устройств, в первую очередь, демонстрационных роботов разработана многоаспектная классификация, использование которой позволяет упорядочить обширную информацию об известных образцах и конкретизировать требования к новым разработкам.

3. Разработана методика анализа получаемых из разных источников данных о демонстрационных роботах с тем, чтобы найти место каждого демонстрационного робота в предложенной классификации.

4. Проведено исследование кинематических схем некоторых реализованных антропоморфных роботов и выработаны рекомендации по их совершенствованию исходя из требований к выполняемым движениям.

5. Для демонстрационных роботов обоснован выбор одного из трех способов взаимосвязи автоматически управляемых двигателей с механизмами (приводы могут располагаться последовательно по осям кинематических пар, параллельно пристраиваться к каждому звену или непосредственно перемещать демонстрируемый объект при пассивном механизме манипулятора).

6. Показано, что в отличие от промышленных роботов широкие возможности в конструкциях демонстрационных роботов предоставляет.

144 применение гибких звеньев, которые позволяют получить гладкую форму изгиба и сократить количество приводов.

7. Для одной из перспективных разновидностей демонстрационных роботов, а именно, роботов-гидов с автоматическим программным управлением, предназначенных для показа экспонатов в ячейках экспозиций с помощью лазерной указки, сформулированы основные задачи геометрии и кинематики.

8. Установлено, что в простейшем случае для руки робота-гида достаточно двух вращательных степеней подвижности, а в общем случае, когда на разные объекты или их фрагменты нужно направлять луч указки с заданных направлений, механизм робота-гида должен иметь минимум четыре степени подвижности.

9. Показано, что требования к программируемой динамике демонстрационных роботов (по средним значениям обобщенных скоростей, по законам изменения ускорений при разгоне и торможении) целесообразно определять по результатам экспертного оценивания анимации на экране монитора.

10. Разработана методика выработки окончательных рекомендаций по динамическим режимам движения робота-гида на основе имитационного моделирования с контролем результатов на экране монитора.