Методы построения манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях

Актуальность проблемы. Повышение требований к универсальности, простоте развертывания и эксплуатации, увеличение степени автоматизации и энергосбережения обуславливает необходимость применения новых подходов к проектированию манипуляторов для перемещения грузов. В настоящее время для перемещения объектов в пространстве применяют различные конструкции подъемно-транспортных машин, которые являются типовым оборудованием производственных цехов, закрытых и открытых складов и используются для перемещения разнообразных твердых и сыпучих грузовсборочных и ремонтных работмонтажа сборных промышленных и гражданских сооружений, оборудованияобслуживания строительных объектов и многого другого. Конструкции таких механизмов обычно содержат массивные жесткие движущиеся элементы, которые помимо внесения существенного вклада в стоимость оборудования накладывают значительные ограничения на такие характеристики как зона обслуживания, энерговооруженность, возможность оперативного развертывания в заданном месте применения. Кроме того, использование массивных элементов усложняет техническое обслуживание и контроль за состоянием оборудования.

Существенно снизить вес и стоимость подъемно-транспортного оборудования, а также расширить зону обслуживания позволят конструкции на основе гибких механических связей. Данные конструкции могут быть использованы при проведении единоразовых работ в местах, где монтирование существующего оборудования составляет значительную проблему (действующие производственные цеха, складские помещения, в которых невозможно произвести монтаж без существенного простоя в работе). Манипуляторы такого типа могут быть достаточно быстро смонтированы в условиях сложно-пересеченной и горной местности, причем в роли опорных конструкций могут выступать элементы ландшафта. Еще одной областью применения могут служить открытые карьерные разработки. Манипуляторы на основе гибких звеньев также могут найти применение в сфере развлечений и обеспечения безопасности (в этом случае полезной нагрузкой выступает видеооборудование).

Одним из направлений развития оборудования данного типа является создание и внедрение принципиально новых решений, основанных, прежде всего, на синтезе оригинальных механизмов, сочетающих в себе возможности традиционного подъемно-транспортного оборудования с принципами построения робототехнических систем, включающих в себя высокую степень автоматизации и использование параллельных кинематических схем [1]. Основным принципом решения таких задачи является системный подход к проектированию устройства в целом, т. е. его механической, электромеханической и управляющих систем. Подобный подход позволяет при проектировании мехатронных устройств использовать оригинальные кинематические схемы механизмов, компенсируя определенные их недостатки, в сравнении с традиционными, за счет использования новых алгоритмов, систем управления и их аппаратной реализации.

Современные средства вычислительной техники позволяют реализовать заданные законы управления электроприводами для формирования необходимой траектории движения груза манипулятора с гибкими связями в режиме реального времени с учетом динамических эффектов, что было невозможно 10−15 лет назад [2]. Таким образом, перенося основные экономические (материальные) затраты с механической части манипулятора в область разработки программно аппаратного комплекса системы управления, можно получить существенный экономический эффект, обусловленный единичным вложением средств в разработку подобной системы и исключения из состава оборудования весьма дорогостоящей механической компоненты (массивные подвижные элементы).

Диссертация основывается на результатах исследований в области робототехники и мехатроники, отраженных в трудах A.B. Башарина, СЛ. Зенкевича, Ю. В. Илюхина, В. Ф. Казмиренко, И. А. Каляева, С. А. Кузнецова, B.C. Кулешова, A.B. Лопоты, В. М. Лохина, И. M Макарова, C.B. Манько, Д.Е.

Охоцимского, Ю. В. Подураева, В. И. Полищука, Е. Г1. Попова, Д. А. Поспелова, В. Х. Пшихопова, Г .Я. Пятибратова, Е. Д. Теряева, Н. Б. Филимонова, АЛО. Чистякова, Е. И. Юревича, A.C. Ющенко и других российских ученых.

Среди зарубежных ученых следует отметить научные исследования, проводимые под руководством Дж. Альбуса, Р. Вильямса, М. Вукобратовича, Н. Дагалакиса, Р. Люмиа, А. Сингха, Ф. Такемуры и других ученых.

С середины 80-х годов 20 века в различных странах, таких как США, Италия, Южная Корея, ведутся разработки систем, предназначенных для позиционирования тех или иных объектов, использующих гибкие связи [3]. К таким системам можно отнести «Робокран», разрабатываемый по заказу Министерства обороны США для испытания самолетов в Национальном институте стандартов и технологии [4, 5]. Однако данная система не является в полной мере манипулятором и служит лишь для изменения ориентации фюзеляжа самолета в пространстве. Известна итальянская система «Спайдер-кам», использующаяся для перемещения камеры на спортивных мероприятиях. Данная система наиболее близка к исследуемой, однако она была создана без каких либо научных исследований, используя лишь инженерный подход. Также подобные системы имеют достаточно узкое применение. В открытых источниках имеются публикации южнокорейских ученых, посвященные возможности использования подобных систем в тех или иных задачах перемещения грузов. Все эти работы датированы 2000 — 2012 годами, и их анализ позволяет сделать вывод, что направление исследований, связанное с манипуляторами подобного типа достаточно актуальны, а результаты работ позволяют судить о том, что исследование механизмов с гибкими звеньями, использующихся для перемещения различных объектов в пространстве, находятся на начальных этапах и не позволяют провести конструкторскую разработку готовых образцов на основе широко опробованных методик.

Таким образом, задача разработки принципов и методов, позволяющих получить инженерные средства проектирования манипуляторов с параллельной структурой на основе гибких звеньев, является достаточно актуальной.

Соответствие диссертации научному плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (ИЛИ), ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом № 7234р/10 119 от 11.06.2009, проектом 8.3383.201 1 «Теоретические основы проектирования нового поколения сложнофункциональных блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе ради-ационно-стойких технологий (БЮе, АМБК13/4 и др.)» в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на 2012;2013 гг., а также в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011, научным направлениям ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехниче-ских систем и комплексов» и соответствует госбюджетным темам П3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» и 12.12 «Теория и методы построения мехатронных систем и комплексов, устройств управления, контроля и диагностики, функциональных структур для оптои наноэлектроники» в рамках гос. задания по заявке 7.4586.201 1, поддержанной Минобрнауки РФ.

Объектом исследования является манипулятор, использующий в качестве подвижных элементов конструкции гибкие звенья.

Целью работы является разработка методов построения манипуляторов, использующих к качестве подвижных элементов гибкие звенья, обеспечивающие пониженные требования к подготовке места монтажа и высокую скорость развертывания. Для достижения этой цели потребуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных мехатронных систем с параллельной структурой.

2. Разработать кинематическую модель манипулятора на основе гибких звеньев и создать её математическое описание.

3. Разработать методы планирования траектории перемещения груза по различным критериям и предложить рекомендации по их применению.

4. Разработать методы позиционирования, основанные на тензометри-ческих данных, с целью исключения из системы управления избыточных элементов и универсализации области применения;

5. Разработать динамическую модель манипулятора с заданной конструкцией.

6. Разработать натурный макет устройства и оценить адекватность предложенных математических моделей объекта и методов управления, полученных в ходе эксперимента.

7. Предложить рекомендации по использованию манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях;

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, позволяющая с минимальными ограничениями описать кинематику параллельного манипулятора исследуемого типа с произвольной формой зоны обслуживания;

2. Метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению и обеспечивающий точное движение схвата по заданной траектории за счет применения двух уровней интерполяции;

3. Метод определения текущего положения схвата манипулятора, обеспечивающий на основе использования тензометрических данных о силах натяжения тросов текущих координат схвата и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модификациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки;

4. Метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, получить диапазоны динамической управляемости манипулятора по скорости и заключающийся в применении различных систем кинетостатических уравнений в зависимости от участка траектории движения манипулятора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы аналитической геометрии, дифференциального исчисления, математического, компьютерного, натурного моделирования, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные на натурном образце устройства.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель кинематики манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, учитывающая возможность описания произвольной формы зоны обслуживания с минимальными ограничениями, основанная на системе уравнений, коэффициенты которого однозначно определяют зону обслуживания, отличающаяся решением прямой и обратной задач кинематики по скорости для параллельного манипулятора с гибкими звеньями. Обратная задача по скорости при этом может быть решена введением бинарной матрицы знаков проекции и последующим использованием единого выражения для любой из обобщенных координат;

2. Предложен метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению, отличающийся применением двух уровней интерполяции траектории перемещения схвата, допускающих задание траектории перемещения достаточно широким классом аналитических функций и использующих определение на каждом шаге интерполяции целочисленных координат следующей точки перемещения за счет комбинации полученных решений обратной задачи кинематики по положению и оценочной функции приращения обобщенных координат;

3. Предложен метод определения текущего положения схвата манипулятора отличающийся использованием тензометрических данных о силах натяжения тросов и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модификациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки за счет решения пропорциональных уравнений для сил натяжения тросов в аналитической записи и определения пропорциональных зависимостей изменения сил натяжения при изменении положения точки крепления груза в алгоритмической интерпретации;

4. Предложен метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, отличающийся от традиционных методов частичным исключением из расчетов инерциальных сил и заменой их, в зависимости от величины ускорения точки подвеса груза на разных участках траектории, колебательным затухающим изменением активной силы. Получены аналитические выражения для оценки диапазонов динамической управляемости манипулятора рассматриваемой в данной работе параллельной структуры, связанные с возможностью деформации гибких звеньев под действием колебательных процессов в системе «точка крепления — центр масс груза».

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением современных научных методов исследованийподробным анализом научно-исследовательских работ, по теме диссертациикорректным применением используемых в исследовании математических методовметодами обработки и моделирования выполненными с использованием современных программных продуктов для моделирования и обработки результатов экспериментаудовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (расхождение составило 9.7%).

Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов математического описания и управления мехатронными устройствами параллельной структуры с гибкими звеньями.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические и компьютерные модели в представленном виде без каких-либо изменений могут быть использованы при проектировании манипуляторов описанного класса, разработанный пакет компьютерных программ позволяет реализовать предложенные методики исследования свойств манипулятора. Создано программное обеспечение на языке Си++, реализующее предложенные методы управления манипулятором безотносительно к программно-аппаратной платформе. Предложены рекомендации по практическому применению манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Опытный образец манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях передан в пробную эксплуатацию в ООО «Вариоматик». Результаты диссертационной работы используются в ЮРГТУ (НПИ) для обучения студентов специальностей 22 040 265 «Роботы и робототехнические системы», 22 040 165 «Мехатроника» и бакалавров по направлению «Мехатроника и робототехника».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Международной научно-технической мультиконференции «Мехатроника, автоматизация, управление», МАУ-2009, (Дивноморское, 2009 г.) — на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.) — 7-й международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011; XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2011), Москва, ИМАШ РАНна научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2007 — 2010 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 — 2009 гг.).

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Радиоэлектронные системы» ГОУ ВПО.

ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр «Прикладная механика и конструирование машин», «Математика», «Энергетика и безопасность жизнедеятельности», «Информационные системы и радиотехника» а также заседании кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 работ, в том числе четыре из перечня ВАК, а также получено 2 патента, 1 свидетельство на полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, издана 1 монография (в соавторстве).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 174 страницы машинописного текста, 88 рисунка, 4 таблицы и список литературных источников из 103 наименований.

4.5 Выводы.

4.5.1 В соответствии с предложенной кинематической схемой разработаны конструкция и система управления опытным макетом манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях.

4.5.2 Разработаны аппаратная и программная части мультипроцессорной распределенной системы управления. Для реализации системы управления использованы современные микроконтроллеры типа STM32xx с быстродействующим вычислительным ядром типа Cortex-МЗ и широким набором периферийных устройств.

4.5.3 Разработана информационно-управляющая программная оболочка для ОС Windows ХР, позволяющая осуществлять ввод команд в систему управления манипулятором и регистрировать четыре параметра состояния каждого звена системы с достаточной частотой семплирования.

4.5.4 Разработаны и реализованы в виде программного кода два основных алгоритма управления и два тестирующих алгоритма режимов работы, которые позволяют провести достаточно полную идентификацию параметров электромеханической части звена манипулятора.

4.5.5 Для реализации САР положения звена принята одноконтурная система регулирования с П-регулятором положения. Методом «построения желаемой ЛАЧХ» САР положения определен коэффициент передачи регулятора положения. САР положения реализована в виде программного кода микроконтроллера управления приводом.

4.5.6 В рамках программно-аппартного управляющего комплекса манипулятора реализована информационная подсистема, позволяющая в режиме реального времени с частотой семплирования 500 Гц получать информацию по 4 группам параметров состояния звеньев системы.

4.5.7 Представлены результаты экспериментального исследования манипулятора в режиме перемещения грузов, которые в целом подтверждают разработанные математические и компьютерные модели, а также предложенные алгоритмы планирования траектории перемещения схвата манипулятора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании теоретических и экспериментальных результатов исследований в данной работе дано решение актуальной научно-технической задачи — разработка методов и средств реализации манипулятора параллельной структуры с гибкими звеньями. В ходе выполнения диссертации получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1. На основе проведенного анализа обоснована целесообразность и сформулированы обобщенные требования к разработке и использованию манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях. Предложены области применения манипуляторов такого типа.

2. Предложена кинематическая схема манипулятора и её математическая модель, позволяющая адекватно описывать траектории перемещения схвата манипулятора на основе решения прямой и обратной задач кинематики по положению и скорости с целью формирования заданной траектории движения схвата в зоне обслуживания сложной формы.

3. Предложены два метода планирования траектории перемещения схвата манипулятора, первый из которых является методом позиционирования в заданную точку (метод равного времени). При использовании данного метода возможно независимое управление по каждой из обобщенных координат, что значительно упрощает реализацию САУ. Второй метод предполагает использование интерполяционных механизмов планирования, оптимизированных под кинематику манипулятора, и позволяет переместить объект в заданную точку по кратчайшему пути. На практике, в зависимости от области применения, могут быть использованы оба метода.

4. Предложен метод начального позиционирования манипулятора в аналитической и алгоритмической разновидностях, основанный на тензометрических данных, существенно упрощающий систему управления манипулятором и не требующий применения дополнительных средств контроля, что значительно удешевляет конструкцию.

5. Численное решение задачи динамики, позволяющее провести оценку влияния динамических характеристик на элементы конструкции и положение груза в пространстве, получено путем компьютерного моделирования манипулятора, как целостной электромеханической системы. Для построения модели использовались различные системы кинетостатических уравнений, в которых, в зависимости от величины ускорения точки подвеса, частично исключается действие инерциальных сил, заменяемых колебательным изменением активной силы, что снижает порядок дифференциальных уравнений и значительно упрощает решение. Получена система неравенств, заданных аналитически, описывающая область зоны обслуживания без потери управляемости системы, происходящей при деформации гибкого звена.

6. Разработан, изготовлен и испытан опытный образец устройства, реализующий предложенные методы управления манипулятором. Представлена методика разработки мультипроцессорной распределенной системы управления манипулятором, которая без каких-либо существенных изменений может быть использована для создания мехатронных устройств данного типа. Сформулированы рекомендации по структуре функциональной схемы звена манипулятора.

7. Исследования, проведенные на опытном макете манипулятора, показали достаточную сходимость математических моделей кинематики, статики и динамики с результатами, полученными в ходе эксперимента (расхождение составило 9,7% при сохранении общего вида зависимостей). Получено также опытное подтверждение полной работоспособности предложенных алгоритмов управления манипулятором и планирования траектории перемещения.