Диссертация посвящена решению задачи синтеза движения манипуляцион-ных роботов при работе в пространствах со сложными связями и ограничениями. В работе предлагается единая технология синтеза движения механических систем: специальный кинематический и динамический анализ задачи, построение соответствующих алгоритмов планирования траекторий с учетом пространственных ограничений и связей, налагаемых на систему и на их основе построение систем управления роботами — в рамках которой рассматриваются три модельные задачи. Для их решения создаются динамические модели роботов в программном комплексе «Универсальный механизм», а также созданы два лабораторных макета манипуляторов (робот МапСо со БСАНА-подобной кинематикой на пневматических приводах и избыточный манипулятор ЭпакеМап на сервоприводах) для натурных экспериментов.
Актуальность темы
.
В настоящее время несмотря на то, что теоретически манипуляторы являются универсальными устройствами, которые могут использоваться в самых разных ситуациях, из технических соображений их проектируют с учетом конкретных задач и функций, которые они будут выполнять. От объема и качества рабочего пространства манипулятора, жесткости его конструкции и других характеристик зависит кинематика и динамика манипулятора. Отмеченные факторы делают актуальной цель работы — синтез движения манипуляционных роботов под конкретные задачи с учетом возможных ограничений или сложных связей, налагаемых на рабочее пространство создание и исследование систем управления и динамических модел ей манипуляторов с различной кинематикой.
Объект исследования.
Компьютерные модели и лабораторные макеты следующих робототех-нических систем: манипулятор РМ-01, оснащенный инструментом для проведения «мягких» операций, в частности, процедуры массажаБСАКА-подобные манипуляторы Мапво на пневматических приводах, предназначенные для решения операционных задач в плоскости, гиперизбыточный манипулятор БпакеМап, предназначенный для работы в стесненных средах.
Предмет исследования.
Динамические процессы, протекающие в управляемых манипуляцион-ных системах при работе в пространствах со сложными связями и ограничениями.
Цель работы.
Исследование синтеза движения манипуляционных роботов для конкретных задач с учетом возможных ограничений или сложных связей, налагаемых на механическую систему. Построение систем управления, реализующих это движение.
Задачи.
Рассматриваются три типа задач:
1. Работа манипулятора с податливой средой;
2. Манипулирование предметом в плоскости двумя манипуляторами;
3. Движение гиперизбыточного манипулятора в стесненной среде. Для каждой задачи решаются следующие подзадачи:
Кинематический анализ задачи;
Построение динамической модели робота и рабочего пространства в программном комплексе «Универсальный механизм» (1Ш);
Разработка алгоритмов планирования траекторий движения;
Синтез систем управления;
Эксперименты на компьютерных моделях и лабораторных макетах роботов;
Анализ характеристик предложенных методов и алгоритмов.
Методы исследования.
Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, вычислительной математики и систем управления. Исследование работоспособности предложенных в работе методов и алгоритмов проводится путем построения моделей в программных комплексах «Универсальный механизм», МАТЬАВ БтиНпк, Ма^ета^са и САПР-программах, а также путем отработки их на собранных для этих целей макетах роботов.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В процессе проведения теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие новые научные результаты:
Разработана модель позиционно-силового управления системой робот-инструмент при работе с податливой средой;
Исследована кинематика и синтезировано управление двух манипуляторов с пневматическими приводами при работе с одним предметом в плоскости;
Предложен оригинальный алгоритм построения траекторий для работы избыточного манипулятора в стесненной среде.
Достоверность результатов. Основные научные результаты диссертации.
Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными и соответствуют теоретическим оценкам. Синтезировано три типа движения роботов для поставленных задач. Построена модель комбинированного позиционно-силового управление системой робот-инструмент для работы с податливой средой, алгоритм позиционного управления для работы двух манипуляторов при наличии общих геометрических связей, разработан и исследован алгоритм планирования траекторий движения для избыточного манипулятора в стесненной среде. Собраны макеты роботов для проведения экспериментов.
Практическая ценность.
В работе предложены алгоритмы синтеза движения манипуляционных систем для работы в пространствах с ограничениями и при наличии сложных связей, налагаемых на механическую систему. Разработанные системы управления и алгоритмы планирования траекторий могут быть использованы в промышленных и бытовых манипуляционных системах для решения поставленных задач. Разработано два прототипа манипуляторов для задач работы в плоскости: при наличии геометрических связей между двумя роботами и инструментомпри наличии ограничений, налагаемых на рабочее пространство.
Апробация диссертации.
Основные положения работы докладывались на:
Международной молодежной научно-практической конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», НИИ механики МГУ (г. Москва);
Международной научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника» (ЭР-2011, г. Санкт-Петербург);
4-ой Всероссийской мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2011, в пос. Дивноморское Геленджикского района);
III Российско-тайваньском симпозиуме «Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механики и управления», НИИ механики МГУ (г. Москва) — семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники МГУ им. М. В. Ломоносовасеминарах Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 работ, включая 1 статью в рецензируемом журнале.
Публикации в рецензируемых научных журналах из списка ВАК.
Головин В.Ф., Журавлев В. В., Архипов М. В., Павловский В. Е., Орлов И. А. Особенности математического моделирования многосуставного робота, взаимодействующего с упругой динамической средой. / Научно-техническая информация. Серия 2: Информационные процессы и системы. М.: ВИНИТИ. 2012. № 12. С. 16−27.
Другие публикации.
Орлов И.А., Павловский В. Е. Динамическое моделирование процессов функционирования роботов для механотерапии. / Тр. международной молодежной научно-практической конференции «Мобильные роботы и ме-хатронные системы». М.: Изд-во Московского университета. 2011. С. 114 116.
Павловский В.Е., Орлов И. А. Динамическая модель робота для механотерапии. / Тр. международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». СПб.: Изд-во «Политехника-сервис». 2011. С.
319−321.
Павловский В.Е., Орлов И. А., Головин В. Ф., Журавлев В. В. Динамическое моделирование процессов функционирования роботов для механотерапии. / Материалы 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2011. Т. 2. С. 232−233.
Orlov I.A., Aliseychik А.P. Dynamic Modeling of the Redundant Manipulator in a Constrained Environment. / III российско-тайваньский симпозиум «Современные проблемы интеллектуальной мехатроники, механики и управления». Сборник трудов. М.: Изд-во Московского университета. 2012. С. 186−188.
Обзор манипуляционных роботов и систем их управления.
Робототехника уходит корнями в древность, уже тогда начали возникать идеи и были предприняты первые попытки по созданию человекоподобных механизмов (подвижных статуй, механических слуг и т. п.) которые появились еще в Древнем Египте, Вавилоне и Китае. В средние века большой популярностью пользовались различного рода устройства, основанные на использовании часовых механизмов, к этому периоду относятся сведения о появлении первых подвижных человекоподобных механических фигур.
Современная робототехника возникла во второй половине XX века в ходе развития производства, когда появилась реальная потребность в универсальных манипуляционных системах. Главной причиной все более широкого применения промышленных роботов становится снижение их стоимости. Кроме того, роботы не просто дешевеют, они становятся более эффективными: более быстрыми, точными и гибкими. Но есть и другая тенденция, которая не связана с экономикой: по мере того как ростет квалификация роботов, они приобретают способность выполнять все больше задач, опасных или невыполнимых для человека. Однако стоит отметить, что возможности роботов, в том числе манипуляторов, ограничены. Они могут работать только в конкретном рабочем пространстве. Их скорости, ускорения, силы и моменты, развиваемые рабочим органом, обусловлены характеристиками используемых приводов. Таким образом, для управления манипуляционными системами необходимо уметь решать ряд задач, таких как [1]:
1. Анализ кинематики робота и рабочего пространства.
2. Планирование движения.
3. Предварительный расчет сил и моментов.
4. Анализ динамической точности.
5. Идентификация кинематических и динамических параметров робота.
Разнообразие роботов, классифицируемых по назначению, характерным признакам принципиального, схемного и конструктивного решений, очень широко, что лишь отчасти отражено в монографической и учебной литературе [2] - [18]. и в стандартах [19]. На данный момент наибольшее распространение получили следующие конструкции манипуляторов: Декартовы (картезианский и портальные) манипуляторы (см. рис. 1). Данная конструкция представляет собой несколько линейных осей перемещения, расположенных строго перпендикулярно друг другу.
Благодаря малому количеству шарниров и сочленений такая система обеспечивает высокую жёсткость конструкции, что при точных работах (сверление, сварка, резка, склейка) даёт высокие показатели точности. К примеру, роботы, выпускаемые фирмой БЫЬаига, при длине рабочего хода 2500 мм, способны точно повторять однотипные движения в пределах 0,05 мм. Одно время простота в программировании считалась плюсом этого типа робота, однако теперь изготовители предлагают готовое ПО для управления и обработки данных, и это преимущество теряет свою ценность. Простота конструкции обуславливает низкую стоимость оборудования, и это также является плюсом.
Рис. 1: Декартовы манипуляторы компаний Toshiba Machine и Epson Robots соответственно.
К минусам данного исполнения относится низкое соотношение обслуживаемого и занимаемого роботом пространств, существенно ограниченные возможности ориентирования инструмента, что влечет за собой невозможность выполнения работ в местах с ограниченным доступом. Манипуляторы SCARA (см. рис. 2). Недочёты декартовых манипуляторов вынудили инженеров начать разработку более гибких систем. В результате в 1981;м году фирмы SankyoSeiki, Pentel и NEC явили миру новую концепцию сборочного манипулятора. Аппарат назывался «сборочная роботизированная рука с избирательной гибкостью» (Selective Compliance Assembly Robot Arm), или сокращенноSCARA. Эта аббревиатура получила широкое распространение для обозначения роботов этого типа. Манипуляторы SCARA обладают высокой жесткостью по вертикальной оси Z и гибкостью по горизонтальным осям X и Y. Главным преимуществом данной конструкции является параллельное соединение сочленений манипулятора, в результате чего «рука» может достаточно свободно двигаться по горизонтали, сохраняя при этом вертикальную жёсткость. Это полезно, если требуется сверление или штамповка строго по оси Z. Этим объясняется словосочетание «избирательная гибкость» в названии робота. Использование манипуляторов SCARA особенно выгодно при сборке узлов, где робот должен вкладывать в круглые отверстия круглые стержни, не соединяя их. Немаловажно, что конструкция, состоящая из двух звеньев, может вытянуться, распрямив «локоть», а может свернуться, освободив занимаемое пространство. Это удобно при установке новых (демонтаже старых) станков в рабочей зоне с ограниченным пространством, и во время работы, когда детали перемещаются из одного производственного модуля в другой. Параллельные роботы манипуляторы (см. рис. 3). В промышленности часто встречаются операции, где робот должен взять деталь, перенести в нужном направлении и опустить в другое место. Для выполнения таких операций были придуманы параллельные стержневые.
Рис. 2: Манипуляторы SCARA компаний Adept Technology и Toshiba Machine. роботы. Суть такова: к базовой установке крепятся три «руки», соединенные параллельно, образуя кинематическую схему параллелограмма (это такая схема, при которой два параллельно соединённых рычага двигаются синхронно, корректируя направление друг другапример такой системы — спица зонтика). Особенностью этой системы является то, что выходное звено связано с базой несколькими кинематическими цепями, которые параллельно сообщают инструменту движение. В результате в каждой кинематической цепи есть свободные от приводов сочленения, на которые можно установить различные датчики, а также дополнительные приводы. Такой механизм позволяет параллельно управлять скоростью и усилием выходного звена по одной координате. Параллельная структура обладает высокой точностью, что позволяет использовать манипулятор для выполнения операций, требующих высокой точности (измерительные работы, лазерная обработка). Манипулятор имеет малый вес, потому способен работать на сверхбыстрых скоростях. В настоящее время широко распространены аппараты, объединённые под общим названием дельта-роботы". Такое название они получили благодаря особенно.
Рис. 3: Дельта-робот компании Fanuc Robotics и параллельный манипулятор компании Adept Technology. сти конструкции. Эти механизмы были сконструированы для высокоскоростного манипулирования предметами с небольшим весом. Первый дельта-робот был представлен в 1980 году Р. Клавелом, сотрудником Федеральной политехнической школы в Лозанне. Новинку высоко оценили специалисты, и многие крупные фирмы-производители купили права на её использование. «Дельта-робот» — типичная параллельная конструкция. 3 манипулятора, приводимые в движение карданной передачей, крепятся к базе, расположенной вверху в виде подвесной конструкциисходящиеся внизу манипуляторы соединены небольшой треугольной платформой, которая во время работы смещается по осям X, Y или Z, а центральный, четвёртый рычаг даёт дополнительную степень свободы — вращательную. Благодаря тому, что приводы установлены в основании базовой конструкции, а «руки» выполнены из лёгкого композитного материала, робот может совершать до 150 захватов в минуту. Чаще всего такие роботы используются для упаковки и сортировки изделий. К данному типу манипуляторов также относится платворма Гью-Стюарта, в которой используется октаэдральная компоновка стоек. Данный механизм имеет шесть независимых ног на шарнирных соединениях. При изменении длин ног изменяется ориентация платформы. Прямая задача кинематики имеет до 40 решений, тогда как обратная задача кинематики имеет единственное и очень простое решение. Шарнирные роботы манипуляторы. Этот тип манипулятора по принципу действия напоминает человеческую руку. В системе присутствуют не менее трёх поворотных соединений, которые образуют полярную систему координат. Основные шарниры обеспечивают поворот манипулятора, наклон в плечевом соединении и сгибание в локтеещё три поворотные оси и одно призматическое сочленение обеспечивают дополнительные степени свободы (крен, тангаж, рысканье), что позволяет руке выбирать любые направления и свободно вытягиваться по радиусу в любом направлении. Отличительная черта данной конструкции — очень высокая гибкость, позволяющая роботу обходить любые препятствия. Рука может принять любое положение внутри обслуживаемой зоны. Шарнирная конструкция находит применение в самых разных областях промышленности, например «рука» со сварочной головкой манипулирует ею так же, как это делает человек. Траекторию движения и углы ориентации сварочной головки можно менять как угодно, тем самым добиваясь высокого качества сварки практически в любых положениях. Шарнирный манипулятор позволяет выполнять дуговую сварку даже в самых труднодоступных местах. Кроме того, робот этого типа достаточно компактен, и обслу.
Рис. 4: Робот-хирург Da Vinci компании Intuitive Surgical и шарнирный робот для сварки компании Fanuc Robotics. живаемая им зона гораздо больше, чем занимаемое роботом место. Примечательно также, что несколько роботов могут координировано взаимодействовать друг с другом, что повышает производительность в условиях стеснённого рабочего пространства. Особенно полезна шарнирная конструкция оказалась в малоинвазионной хирургии (хирургии минимального вмешательства), суть которой состоит в том, чтобы оперировать через миниатюрные разрезы в тканях, не задевая жизненно важные органы (см. рис. 4). Раньше подобная работа выполнялась вручную, что требовало от хирурга колоссального опыта и напряжения, невероятной скоординированности движений глаз и рук, был необходим контакт с операционной зоной. Естественно, что малоинвазионная хирургия была весьма опасна, и операции далеко не всегда заканчивались удачно. С появлением роботов-манипуляторов с на шарнирной основе стало возможным преодолеть упомянутые недостатки малоинвазионной хирургии. Врач оперирует не своими руками, а посредством высокоточного, дистанционно управляемого манипулятора. Благодаря обратной связи по усилиям, компенсации неточности движений и трёхмерному эндоскопическому обзору, хирург получает практически полный доступ к рабочему прастран-ству. Как правило, типовой шарнирный манипулятор имеет пять или шесть программируемых звеньев. Несмотря на очевидные преимущества конструкции, управлять таким роботом достаточно сложно. При перемещении каждого звена обычно используется принцип минимального значения требуемого угла, и манипулятор движется не по прямой линии (как декартов, например), а выполняет довольно сложную траекторию, имитируя движения живой руки. В результате мысленное представление всех движений «руки» сильно затруднено, что создаёт трудности при программировании. Данная проблема широко освещена в различных работах, например в [20] - [22].
Устройства управления роботами, как правило, делят на три типа, которые будут представлены ниже. Они же, в свою очередь, делятся еще на три подгруппы каждая. И каждая из них имеет своё предназначение, свои отличия, свои достоинства и недостатки, компромиссом между которыми и достигается наилучшее фунцкионирование конкретной мехатронной системы при конкретных условиях и наличии тех или иных специалистов и материальных средств.
По типу управления робототехнические системы подразделяются на:
1. Биотехнические системы управления (СУ). Это категория СУ, в которой манипулятор робота в точности копирует движение руки оператора. Это довольно удобно, так как человек-оператор может находиться на достаточно большом расстоянии от зоны выполнения работ, где ему может угрожать как опасность самых низких уровней (обольёт водой), так и средних (попадет в глаза раствором), так и высоких (из-за аварии упадет тяжелый агрегат). Также положительным фактором данной категории СУ является то, что задачи можно выполнять с масштабированием (например, сантиметровое смещение руки оператора равно 5 см смещения манипулятора). В свою очередь биотехнические СУ подразделяются на:
Командные СУ, в которых управление реализуется при помощи рычагов и кнопок, каждая из которых отвечает за своё звено, или какую-либо функцию. Плюсы здесь являются обратной стороной минусов — с одной стороны можно очень точно выставить каждое звено в необходимое оператору положение, а с другойсделать это занимает много сил, времени и усердия.
Копирующие СУ, которые повторяют движения человека. Наиболее распространенным видом являются экзоскелеты, которые одеваются на всё тело, на несколько частей тела или на отдельную конечность. Обладают некоторой портативностью (хоть и далекой от идеала), что позволяет использовать их даже в повседневной жизни. Другой вид — это СУ, где движение передается задающим органом (например, рычагом) На данный момент, один из копирующих манипуляторов умеет поднимать до 3 тонн груза. Пример: экзоскелет XOS от компании Sarcos (см. рис. 5).
Он увеличивает силу человека и позволяет с минимальной затратой сил переносить тяжелые физические нагрузки. XOS обладает продвинутой системой связи человека с механической частью, благодаря чему движения пилота и машины практиче.
Рис. 5: Экзоскелет XOS компании Sarcos, разработан на заказ армии США. ски синхронны. Датчики мускульной активности со всех частей тела передают информацию на бортовой компьютер (находится на спине экзоскелета), который координирует все действия эк-зоскелета. В результате этого человек практически не испытывает усталости при физических нагрузках. Минус данной конструкции — огромное энергопотребление и ограниченность движений пилота. Полуавтоматические СУ, которые является глубокой модернизацией предыдущих двух подкатегорий в том плане, что на систему устанавливается микро-ЭВМ, которая занимается вычислением движений робота, что позволяет с помощью одного рычага управлять всей кинематикой робота.
2. Автоматические системы управления. Это те СУ, которые способны работать без участия человека вовсе. Им достаточно заранее заложить схему поведения («делать что-то пока не. «, «если ., то ., иначе .»), задать последовательность, задать координаты и т. п. Такие роботы очень удобны в тех случаях, когда работа постоянная, цикличная и не меняется в процессе её выполнения. А также не нужно тратить деньги на оператора, да и скорости автоматические СУ достигают более высокой, чем прочие (где участвует человек). Не менее важно то, что при работе таких роботов повышается безопасность, так как участие человека в техническом процессе либо минимально, либо отсутствует вовсе. Автоматические СУ делятся на:
Программные СУ, в которых роботы имеют заранее заданную последовательность действий — программу. Позволяют с высокой скоростью, надежностью и эффективностью выполнять повторяющиеся действия. Главный плюс — легко перепрограмми-рываются, что повышает их адаптивность.
Адаптивные СУ, которые является модифицированной версией программных. Главное отличие — это наличие адаптивного обеспечения: камер, ультразвуковых датчиков расстояния, датчиков касания, системы распознавания цвета/размера/образа и т. п. Всё это позволяет роботу самостоятельно корректировать свои действия и подстраиваться под изменения внешних условий.
Интеллектуальные СУ, являющиеся еще более глубокой модернизацией предыдущих двух подкатегорий. Наиважнейшим отличием является возможность обратного общения с человеком, планирование и перепланирование поведения, навигация, самообучение и общение, взаимодействие с другими роботами и оборудованием, инструментами.
3. Интерактивные системы управления. Это «гибридные» СУ, которые основную массу времени работают как автоматические СУ, но при необходимости могут быть мгновенно переключены на управление человеком, или человек и автоматика работают поочередно. Отличительной чертой таких систем является тот факт, что оператор может подавать команды голосом, текстом и т. п. Одним из удобств можно назвать то, что робот при необходимости работает поэтапно, и он не перейдет к следующему этапу до тех пор, пока не получит команду-разрешение от оператора. Данные СУ подразделяются на:
Автоматизированные СУ, в которых могут чередоваться, кооперироваться и объединяться как автоматические, так и биотехнические признаки.
Супервизорные СУ, в которых человек занимается интеллектуальной стороной работы (например, выбор средства реализации), а машина — вычислительной и непосредственно реализующей.
Диалоговые СУ, в которых человек и робот работают в тесной кооперации, с постоянным диалогом между оператором и машиной. За счет этого человек всегда имеет наиболее точные данные о деятельности робота, а робот — четкое планирование и выбор стратегии поведения, реализованное совместными усилиями ЭВМ и человека. Робот, как правило, оснащен системой прогнозирования и выведения оператору информации о последствиях того или иного действия. Это так называемая «творческая» коллективная работа.
По типу движения существуют системы управления:
Непрерывные (контурные);
Дискретные позиционные, шагами «от точки к точке» ;
Дискретные цикловые по упорам с одним шагом по каждой координате.
По виду управляемых переменных различают системы управления:
Положением (позицией);
Скоростью;
Силой (моментом).
Часто эти способы управления применяются в комбинации с одновременным применением по разным координатам или в виде некоторой функциональной зависимости управляемой переменной от другой, либо с последовательным переходом от одного способа управления к другому. Применительно к управлению манипулятором последние способы управления означают управление абсолютными координатами его рабочего органа, скоростью и силой (моментом).
Системы управления роботов, классифицируемые по типу движения, виду управляемых переменных, типу алгоритма управления, степени участия человека в процессе управления, описаны в монографической и учебной литературе [26] - [28], [30] - [48].
Эти системы и их аппаратное обеспечение развиваются параллельно с системами управления другим технологическим оборудованием. Первые устройства управления роботов и приводы для них полностью были заимствованы из станкостроения. Поэтому при рассмотрении эволюции аппаратуры управления роботов стоит обратить внимание на этапы развития устройств числового программного управления (УЧПУ) станков, как предшественников этой аппаратуры. ЧПУ начало развиваться в 1950;е годы в станкостроении, что явилось первым шагом в развитии гибкой автоматизации, потребность в которой была обусловлена ростом ускорения сроков освоения производства новой продукции, в выпуске ее как мелкими сериями, так и крупными партиями, при одновременном повышении качества и производительности по сравнению с устоявшимся жестко автоматизированным крупносерийным и массовым производством. Первые станки с ЧПУ, созданные в Массачусетском технологическом институте США, программировались обучением с помощью центральной ЭВМ с записью на перфоленте и последующей передачей управляющих программ на станки. Второй этап развития, 1960;е годы, прямое дистанционное централизованное управление несколькими станками от одной ЭВМ в режиме разделения времени. Управляющие программы при этом записывались на магнитных носителях. При этом доля станков с ЧПУ была очень мала — не более ОДТретий этап связан с прорывом в развитии и распространении этой новой техники, который произошел в 1970;е годы с появлением микропроцессоров. На их основе были созданы компьютерные УЧПУ: для управления отдельными станками. При этом резко снизилась стоимость УЧПУ с 50% общей стоимости станка до 20% и менее. Одновременно была коренным образом повышена надежность систем управления, в том числе благодаря переходу от дистанционного по кабелю централизованного управления к децентрализованному автономному управлению. Четвертый этап развития УЧГТУ — это переход к иерархическим системам комбинированного управления, в которых местные компьютерные УЧПУ отдельных станков объединены централизованной системой управления от общей ЭВМ. Функции последней — групповое управление всем производственным комплексом, содержащим эти станки, включая планирование, хранение библиотек управляющих программ, контроль отказов и другие общесистемные функции. Современная тенденция развития этих систем — это переход к распределенным модульным системам ЧПУ путем постепенного уменьшения функций центрального управления с передачей их местным УЧПУ.
У первых роботов устройства управления конструктивно часто размещались на общем основании робота. Однако в дальнейшем они стали выполняться в виде самостоятельной стойки или настольной конструкции. Это увеличило эффективно используемую часть рабочей зоны манипуляторов робота, а также повысило безопасность персонала. Устройства управления роботов вначале создавались свои для каждого конкретного робота. Затем появились унифицированные устройства управления, предназначенные для роботов с определенным типом приводов (пневматических, гидравлических, электрических) и с определенным способом управления (цикловое, позиционное, контурно-позиционное, контурное). Для роботов с простым цикловым управлением были созданы устройства группового управления.
Опыт создания первых серийных устройств управления промышленных роботов, их применения и быстрорастущие требования к ним по мере расширения областей применения робототехники привели к постепенному формированию следующих тенденций развития этих устройств:
Развитие унификация на уровне основных компонентов вплоть до модульного.
Построения как аппаратного, так и программного обеспечения систем управления;
Развитие принципов параллельной обработки информации;
Децентрализация управления с переходом к распределенным системам управления.
В полной мере перечисленные перспективы развития устройств управления смогли получить развитие и реализацию только после появления микропроцессоров. Микропроцессоры произвели настоящую революцию в управлении промышленным оборудованием и производством в целом. Это привело к созданию децентрализованных и распределенных систем управления и в робототехнике.
Опыт развития и широкого применения унифицированных устройств управления, основанных на серийных микропроцессорах общепромышленного применения, естественным образом породил следующий этап развития устройств управления для роботов, основанный на создании и применении специальных микропроцессорных функциональных модулей. С их помощью стало возможным создавать из таких модулей, объединенных локальными сетями, распределенные системы группового управления роботами. В настоящее время этот принцип построения распределенных систем управления из специализированных функциональных модулей, объединенных локальными сетями, реализован многими ведущими в области создания систем управления роботами и робототехническими системами компаниями (Siemens, Fariuc, НПО «Электронмаш»).
Основные выводы и результаты.
1. Построены математические и динамические модели манипуляторов, отвечающие целям поставленных задач.
2. Исследованы задачи планирования траекторий движения. В задаче взаимодействия манипулятора РМ-01 с вязко-упругой средой построен алгоритм планирования прямолинейного движения в декартовом пространстве. Построена зависимость между количеством узловых точек траектории и силовой ошибкой контактного взаимодействия.
Исследована задача планирования траекторий движения в плоскости для двух БСЛИА-подобных манипуляторов при наличии геометрических связей между схватами роботов. Получены кинематические уравнения, связывающие траектории движения в системе отсчета рабочего пространства с траекториями движения в системах координат, связанных с основаниями роботов. На основе данных уравнений построен алгоритм планирования траекторий движения. Численным экспериментом обоснована корректность предложенного алгоритма, а также возможность его распространения на любое количество роботов, одновременно оперирующих одним предметом.
Построен алгоритм планирования траекторий для гиперизбыточного манипулятора в стесненной среде. Разработана программа для генерации траекторий в тоннеле, а также метод численного решения обратной задачи кинематики для отработки полученных траекторий «плоским» манипулятором с произвольным количеством звеньев в пакете «Универсальный механизм». Доказана корректность данного алгоритма для тоннелей с ограничениями.
3. Синтезированы следующие модели систем управления:
Позиционного и комбинированного позиционно-силового управления с обратной связью для работы робота с податливой средой. Проведен сравнительный анализ такого управления с классическим позиционным управлением. Модель блока управления разработана в пакете МаЙаЬ БтиНпк что позволяет использовать его как для механической компьютерной модели (например в пакете 1Ш), так и для управления реальным роботом. Исследовано силовое управление инструментом манипулятора на предмет максимально быстрого не осциллирующего отклика системы. Численным экспериментом найдены коэффициенты усиления для силового управления.
Позиционного управления с обратной связью для работы робота со ЗСАЯА-подобной кинематикой. Спроектирован и собран макет дешевого робота МапСо с использованием пневмоприводов, обеспечивающий высокие скорости работы и большие усилия, для натурных экспериментов.
Позиционного управления избыточного манипулятора, которое было реализовано и успешно опробовано на макете робота ЭпакеМап с использованием сервоприводов для натурных экспериментов.
