При возникновении робототехники как науки в семидесятых годах считалось, что основными сферами массового применения роботов будут обслуживание технологического оборудования, самостоятельное выполнение некоторых технологических операций (сварки, окраски), работа в экстремальных условиях (под водой, в космосе, в условиях сильной радиации или высокой химической концентрации вредных веществ). За три десятилетия развития робототехники выяснилось, что разнообразие роботов, классифицируемых по назначению, характерным признакам принципиального, схемного и конструктивного решений, оказалось очень широким, что лишь отчасти отражено в монографической и учебной литературе [11, 12, 18, 19, 21, 47, 57, 68, 74, 86, 87, 88, 101, 110]. Отношение к робототехнике существенно изменилось. Если раньше, например, во второй половине семидесятых — в начале восьмидесятых годов полагали, что манипуляционные роботы должны внедряться массово на производстве, и это даст большой народнохозяйственный эффект, то теперь значительное внимание уделяется разработкам для нетрадиционных сфер применения, причем часто непосредственный экономический эффект отходит на второй план, а основными становятся иные соображения.
Параллельно со значительным расширением сфер применения и разнообразием назначения происходит увеличение многообразия схемных решений механизмов роботов. Раньше большинство манипуляторов манипуля-ционных роботов имело незамкнутые кинематические цепи, т. е. имело механизмы последовательной структуры. Робототехника начиналась с имитации механизма руки человека с вращательными кинематическими парами, соединяющими жесткие звенья. Теперь все более широкое применение находят роботы с механизмами параллельной и комбинированной структур. Механизмы с параллельными кинематическими цепями (механизмы параллельной структуры, их наиболее известным представителем является так называемая платформа Стюарта), отличаются тем, что у любого из них выходное звено соединяется с неподвижным основанием через систему звеньев переменной длины, обладают рядом важных достоинств, таких как высокая жесткость, надежность, компактность. Платформа Стюарта является объектом многих научных исследований [2, 3, 4, 26, 27, 28, 32, 33, 34, 65, 90, 97, 100, 102]. Имеются определенные достижения и на практике. Известны примеры удачных конструкций станков, стендов и другого оборудования различного назначения, построенных на механизмах параллельной структуры. Однако как недостатки следует отметить малость рабочей зоны по сравнению с общими габаритами, сложность управления манипуляторами переменной структуры и недостаточную проработанность методик, которые позволяли бы получать как оптимальные варианты конструкций, так и наиболее подходящие алгоритмы автоматического или автоматизированного управления приводами.
Недостаточная глубина исследования механики манипуляторов с параллельными кинематическими цепями объясняется высокой сложностью и, в общем случае, неоднозначностью аналитического решения обратной задачи геометрии и кинематики. Однако, уровень развития компьютерных технологий на сегодняшний день, позволяет применять эффективные численные методы, для решения многих задач расчета и оптимизации при проектировании манипуляторов данного типа. В связи с этим особую актуальность приобретает задача исследования возможности оптимизации геометрических, кинематических, силовых и динамических параметров роботов, имеющих манипуляторы с механизмами параллельной структуры, и разработать научные основы методик их расчета и проектирования.
Один из аспектов расширения многообразия принципиальных и схемных решений механизмов манипуляторов связан с применением гибких звеньев. Гибкие звенья могут иметь самые различные свойства. Например, были попытки использовать гибкие упругие элементы, так что механизм как бы имитировал гибкий хобот. Однако подобные механизмы не приспособлены для использования в манипуляторах параллельной структуры.
В данной диссертации объектами исследования являются роботы с механизмами параллельной структуры, у которых выходное звено (платформа) подвешена на тросах. Подвешивание на одном или на нескольких параллельных тросах широко применялось и продолжает применяться в подъемно-транспортном оборудовании [1, 20]. В данной диссертации прорабатывается новый способ подвешивания различных объектов на системе непараллельных тросов так, что у подвешенного объекта отнимается по возможности большее число степеней свободы, имеется в виду, что каждый трос, если он натянут, у подвешенного объекта отнимает одну степень свободы. Подвешивание на трех тросах управляемой длины позволяет задавать требуемое положение одной точки объекта, для задания угловой ориентации необходимо использовать другие тросы или иные средства. Подвешивание на шести тросах при правильном их расположении, когда обеспечивается их натяжение, в принципе достаточно для возможности задания требуемых значений всем шести параметрам, полностью определяющим поступательные и угловые перемещения объекта. Этот принцип однозначного задания на подвесе всех параметров позиционирования и углового ориентирования был предложен и предварительно проработан применительно к театральной машинерии научным руководителем данной диссертации доцентом А. Н. Волковым, основные результаты этих исследований изложены в серии работ [26, 27, 28, 29]. До этого подобные подвесные шестистепенные платформы до сих пор не использовались и не исследовались.
Если в выбранном фиксированном положении платформы все тросы натянуты, то они в совокупности обеспечивают полное позиционирование по всем шести степеням подвижности (они задают каждую из трех линейных координат и каждый из трех углов ориентации) подобно тому, как это имеет место в шестистепенном механизме платформы Стюарта с жесткими звеньями.
В последнем случае имеется полная аналогия рассматриваемых в данной диссертации систем с обычными манипуляционными роботами с жесткими звеньями или с подъемными кранами с жестким закреплением груза. При управлении положением объекта с помощью изменения длин тросов рассматриваемые системы подвешивания с полным основанием можно считать манипуляционными роботами или робототехническими системами.
В данной диссертации имеются совсем другие области применения подобных робототехнических систем, они перечислены и охарактеризованы в главе 1. В рассматриваемых в данной диссертации конструкциях имеется в виду, что длины тросов изменяются по заданным программам с помощью управляемых лебедок с намоткой тросов на барабаны. Детально вопросы реализации этих устройств рассмотрены в главе 4. Здесь лишь отметим, что важным фактором является рациональное размещение лебедок на опорах. Некоторые или все лебедки должны располагаться на верхних уровнях. В помещении некоторые из лебедок могут крепиться к установочным приспособлениях на стенах, в открытых пространствах они должны устанавливаться на мачтах. Применительно к фактору размещения лебедок в данной диссертации формулируются и решаются задачи анализа (задано их расположение, определяется рабочая зона) и задачи синтеза (задается рабочая зона, выводятся требования к размещению лебедок).
Очевидным достоинством схем с подвешиванием является возможность использования тросов большой длины (порядка десяти метров и более), допустимость разнесения в пространстве позиций установки лебедок и поэтому обеспечение возможностей получения больших перемещений при определенным образом задаваемых длинах тросов посредством управления (автоматизированного или даже автоматического, без участия человека-оператора или рабочего) углами поворота барабанов лебедок. В частности, возможна имитация свободного полета платформы над сценой по сложным, свободно программируемым траекториям. Традиционное схемное решение задачи полета подробно анализируется далее. Важно, что при традиционном способе возможны только движения с существенными ограничениями (в одной вертикальной плоскости или с малыми отклонениями от нее).
Недостатки предлагаемого принципиально нового построения схем подвижных платформ, подвешенных на гибких звеньях — тросах — очевидны: невысокая точность задания длин натянутых участков тросов, аналогов приводных звеньев, пониженная жесткость, возможность относительно низкочастотных поперечных колебаний тросов, возбуждаемых при движении, а главное — необходимость обеспечения натяжения во всех положениях платформы. Именно проблеме обеспечения натяжения тросов во всех положениях в течение всего времени движения в данной диссертации уделяется значительное внимание.
Несмотря на отмеченные недостатки механизмы, построенные по различным вариантам схем многостепенных подвесных платформ (не обязательно шестистепенных), могут найти широкое применение при решении многих прикладных задач.
Целью работы является многоаспектный анализ на математических моделях и обоснование путей расширения геометрических и динамических возможностей многостепенных многоцелевых роботов, имеющих механизмы параллельной структуры с многостепенными платформами, для использования в роботизированных комплексах различного назначения.
Для достижения указанной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи.
1. Установление областей возможного использования робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, позиционируемых и ориентируемых изменением свободных участков тросов путем управления лебедками.
2. Формулирование и анализ требований к робототехническим манипуля-ционным системам параллельной структуры на основе подвесных платформ в зависимости от решаемых прикладных задач и условий функционирования.
3. Для типовых схем робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ с различным числом степеней подвижности геометрический синтез, в рамках решение прямой и обратной задач геометрического анализа.
4. Исследование распределений нагрузок на тросы робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ для статических режимов в зависимости от параметров линейных перемещений и углов поворота.
5. Формулирование и формализация условий натяжения всех тросов подвеса и определение, исходя из этих условий областей возможных положений и углов ориентации платформы.
6. Разработка рекомендаций по размещению лебедок, исходя из требований обеспечения заданных рабочих зон и диапазонов углов поворотавыработка и обоснование предложений по расширению областей возможных положений и диапазонов углов поворота платформы.
7. Определение влияния растяжимости тросов подвеса платформ рассматриваемых робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на точность задания линейных перемещений и углов поворота.
8. Постановка, формализация и решение некоторых задач динамики робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.
9. Проверка на макете новых схемных решений робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Показано, что робототехнические манипуляционные системы параллельной структуры на основе шестистепенных подвесных платформ при размещении всех приводов на неподвижных основаниях позволяют осуществлять линейные перемещения по трем координатам и вращения вокруг трех осей.
2. Определены возможности механизмов робототехнических манипуля-ционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ последовательно с тремя, четырьмя, пятью и шестью степенями подвижности, для них проведен анализ рабочих зон, диапазонов линейных перемещений и углов поворота рабочих органов.
3. Показано, что для робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ важны выбор мест расположения кинематических пар, по объединению шарниров и ориентации осей приводовсформулированы и обоснованы предложения по выбору вариантов схем.
4. Разработаны основы методик силовых расчетов механизмов параллельной структуры для статических и динамических режимов работы.
5. Обоснован выбор критериев параметрической оптимизации конструкций манипуляторов рассматриваемого типа и сформулированы конкретные предложения по численному решению этих задач.
Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики манипуляторов исследовались с использованием методов аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач динамики на ЭВМ, использовались стандартные численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland С++ Builder», «Assembler» при составлении программ были использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad». Для разработки электронных схем сопряжения макета манипулятора с ЭВМ был использован пакет «Proteus Lite».
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
— разработана и обоснована методика построения границ рабочих областей механизмов манипуляторов параллельного типа с учетом ограничений по ходам приводов и непересечения элементов;
— выделена новая группа манипуляторов параллельной структуры с вращательными приводами и шарнирно-рычажными механизмами;
— предложен и обоснован способ ортогонализации схем манипуляторов параллельной структуры, допускающих упрощение управление систем управления при малых перемещениях и углах поворота;
— предложены и опробованы на модели способы управления приводами путем включения или выключения в определенные моменты времени без регулирования скорости;
— разработана оригинальная схема шестистепенного манипулятора с вращательными приводами, сформулированы конструктивные предложения по его совершенствованию.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях в Иркутском государственном университете путей сообщения, а также на IV Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях» в г. Пенза. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Практическая ценность работы. 1. Разработана инженерная методика расчета и компьютерная программа для выбора мест размещения лебедок манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, исходя из необходимости перекрытия заданных зон.
2. Получены формульные зависимости для управляющих программ приводов систем лебедок.
3. Разработана методика и программа для определения точности отработки программных траекторий.
4. Разработана классификация основных компонентов робототехниче-ских систем данного типа, которая может быть положена в основу специализированных баз данных.
Основной материал диссертации разбит на пять глав. В первой главе сначала определяется специфика робототехнических систем на основе подвесных многостепенных платформ. Структурно типовую подвесную шестистепенную платформу можно рассматривать, как обращенную платформу Стюарта. В отличие от роботов на жестких приводных звеньях рассматриваемые в диссертации системы на тросовых подвесах с управляемыми лебедками, которые заданием длин тросов осуществляют требуемые позиционирование и угловое ориентирование, позволяют получать очень большие перемещения (порядка десятков метров). Управление положением подвижной платформы осуществляется программным изменением длин тросов автоматическими приводами лебедок. Автором предложена многоаспектная классификация рассматриваемых систем по таким признакам, как функциональное назначение, тип рабочего пространства, способы создания натяжения тросов и т. д. Далее определяется круг прикладных задач, которые могут успешно решаться с помощью манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ. Наиболее перспективными представляются следующие сферы применения: погрузо-разгрузочные работы, монтаж различных конструкций, системы контроля и наблюдения (в закрытых помещениях, в открытых пространствах на воздухе и под водой), системы охраны и защиты, при имитации свободного полета над сценой театра и т. д. В заключение главы формулируются основные задачи исследования в диссертации: формулировка предложений по применению, анализ возможных принципиальных и схемных решениях робототехнических систем рассматриваемого типа и достигаемых преимуществах, разработка математического аппарата анализа геометрии механизмов робототехнических систем рассматриваемого типа, разработка методик определения границ рабочих зон, получение рекомендаций по рациональному размещению элементов подвеса, выявление источников первичных ошибок и анализ их влияния на ошибки, постановка и решение некоторых задач динамики робототехнических систем на основе подвесных платформ.
Во второй главе описываются математические модели робототехнических систем, построенных на основе многостепенных подвесных платформ. У рассматриваемых роботов параллельной структуры многостепенные механизмы квалифицируются, как пространственные, высших классов, с большим числом замкнутых контурових теория разрабатывалась в последние десятилетия. Проведен анализ типовых требований к робототехническим системам рассматриваемого типа, эти требования формулируются в виде критериев, которые используются при выборе схем и значений параметровосновные положения иллюстрируются примерами. Для механизмов шестистепенных платформ известен метод /-координат при получении геометрических соотношений, представляющих собой основу математической модели. Однако он неприменим для произвольных конфигураций. В главе предложен новый метод получения указанных геометрических соотношений для любого размещения точек закрепления тросов в общем случае на пространственной конструкции подвижной платформы.
Третья глава посвящена решению задачи разработки методики определения для шестистепенной платформы на тросовом подвесе области возможных положений в общем случае в шестимерном пространстве составляющих линейных перемещений и углов поворота. В отличие от платформы Стюарта на жестких приводных звеньях, для которой ограничения на перемещения преимущественно обусловлены ограниченностью длин звеньев и ходов, при подвесе на тросах определяющими являются условия натяжения всех тросов. Кроме того учитываются требования исключения особых положений и пересечения тросов. Разработанная методика определения участков границ области возможных положений построена на том, что в записанных уравнениях статики подвижной платформы поочередно приравниваются нулю усилия в тросах. Данная методика реализована в специализированной компьютерной программе. Требуемые размеры области возможных положений могут быть получены достаточно большим разнесением мест установки лебедокзначительное расширение области может быть получено добавлением к шести позиционирующим одного или нескольких тросов, задающих определенные усилия. В заключение главы рассматриваются задачи динамики подвижных платформ, которые могут решаться методом кинетостатики добавлением к числу действующих сил инерции.
В четвертой главе по преимуществу рассматриваются типовые, представляющие наибольший интерес варианты. Сначала охарактеризованы признаки, определяющие геометрию рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения лебедок и особенности конфигураций рабочих зон. Затем сформулированы общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ. В основу принят такой подход, при котором по тем или иным критериям для номинального положения (среднего в рабочей зоне) осуществляется оптимизация. В качестве одного из критериев выбирается принцип близости к диагональной матрицы преобразования длин тросов к обобщенным координатам платформы. Как наиболее перспективная рассматривается ортогонализованная схема. Показано, что для подобной ортогонализованной схемы натяжение всех тросов обеспечивается только в прямоугольной системе координат, повернутой относительно плоскости горизонта. Как вспомогательная рассматривается плоская задача позиционирования плоской платформы. Значительный практический интерес представляет схема, в которой лебедки могут устанавливаться над рабочей зоной.
В пятой главе сначала обсуждаются принципы и способы управления манипуляционными системами рассматриваемого типа, предлагается алгоритм автоматического управления, не требующий больших вычислительных ресурсов. Особое внимание обращается на анализ использования в системах автоматического управления датчиков различных типов и принципов действия, измеряющих непосредственно координаты, их приращения или усилия натяжения в тросах. Формулируются задачи введения поправок в управляющие программы на растяжения тросов и другие влияющие факторы. В заключение главы приводятся сведения о созданном макете и результатах его испытаний. Предварительные испытания макета подтвердили правильность предлагаемых принципиальных и схемных решений.
По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Основные результаты, полученные в диссертации, можно формулировать следующим образом.
1. Предложена многоаспектная классификация робототехнических систем на основе подвесных платформ, которая может быть использована, как основа специализированной базы данных.
2. Показано, что рассматриваемые робототехнические системы могут быть использованы для погрузо-разгрузочных работ в нерасчлененных закрытых помещениях и на открытых площадках, для охраны, наблюдения и контроля. При этом в зависимости от конкретного назначения могут быть использованы различные датчики или информационно-измерительные системы. При принятии особых мер безопасности объектами переноса для рассматриваемых робототехнических систем могут быть люди. В качестве сил, обеспечивающих натяжение тросов, в открытых пространствах обычно выступают силы веса, но могут быть использованы аэростатические или гидростатические подъемные силы.
3. Установлено, что основные характеристики робототехнических систем рассматриваемого типа определяются четырьмя группами факторов: требованиями к заданию положения центра платформы, углов ее ориентации, возможностями использования для позиционирования и ориентирования сил тяжести, областями возможных положений объекта.
4. Для механизма робототехнической системы на основе шестистепен-ной платформы предложен и проработан новый метод составления исходных геометрических соотношений, при котором в отличие от известного метода /-координат допускается произвольное пространственное распределение точек закрепления тросов на подвижной платформе.
5. Важнейшей характеристикой многостепенной робототехнической системы рассматриваемого типа является область возможных положений платформы в шестимерном пространстве линейных координат и углов поворота для пространственной задачи и в трехмерном пространстве — для плоской задачи.
6. При определении областей возможных положений систем на основе подвесных платформ учитываются условия неотрицательности усилий (натяжений) тросов, условия непересечения приводных звеньев, требования исключения особых положений.
7. Показано, что условия неотрицательности натяжений тросов получаются из уравнений статики, при составлении которых в качестве основных геометрических параметров целесообразно рассматривать направляющие косинусы. Участки границ области возможных положений получаются из условий поочередного обращения в нуль усилий в тросах.
8. Учитывается, что может быть существенным фактор возбуждения колебаний тросов при движении платформы. Рекомендован разработанный метод последовательных приближений, при котором сначала рассчитывается динамика платформы без учета тросов, затем при кинематическом задании воздействий рассчитываются колебания тросов, и после этого определяются дополнительные силы воздействия на платформу.
9. Как наиболее перспективные следующие виды схем подвешивания: близкие к осесимметричным, ортогонализованные, плоскиедля них проведены самостоятельные исследования.
10. Получены обоснованные рекомендации по схеме подвешивания платформы, размеры которой малы по сравнению с рабочей зоной, показано, что целесообразно начинать с выбора ориентации направлений тросов в номинальном положениипри этом свойства подвеса определяются матрицей связи приращений длин тросов и обобщенных координат платформы.
11. Установлено, что при построении схем подвеса, ортогонализован-ных в горизонтально-вертикальной системе координат, всегда необходимы дополнительные тросыдополнительные тросы можно не вводить, если использовать ортогональность осей в прямоугольной системе координат, оси которой наклонены к плоскости горизонта.
12. Показано, что достаточно практичными и в то же время приспособленными для анализа свойств являются схемы подвешивания, близкие к осе-симметричнымвозможности изменения углов поворота платформы зависят от углов расхождения тросов подвеса.
13. Для определенных приложений могут быть перспективными комбинированные системы подвешивания платформ с последовательно-параллельным соединением звеньев и системы, в которых сочетаются жесткие приводные звенья в виде гидроцилиндров и гибкие звенья в виде тросов.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
А1. Чистяков А. Ю. Структура, схемы и математические модели робототехнических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. — 2005, выпуск 4.
А2. Чистяков А. Ю. Возможности и перспективы применения робототехнических систем на основе подвесных многостепенных платформ. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. — 2006, выпуск 1.
A3. Чистяков А. Ю. Схемы подвеса платформ многостепенных робототехнических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. — 2006, выпуск 1.
А4. Мархадаев Б. И., Чистяков А. Ю. Полициклоидные мехатронные системы: компоновочные структуры, топология структур и траекторий, механика, управление и применение. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. — 2004, выпуск 4.
А5. Мархадаев Б. И., Чистяков А. Ю. Манипуляционные мехатронные устройства при обслуживании высокопроизводительного оборудования. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. — 2004, выпуск 4.
А6. Чистяков А. Ю. Роботизированные системы с механизмами параллельной структуры на основе подвесных платформ. // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях». / Пенза: Изд-во РИО ПГСХА, 2006.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
