Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» icon

Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»



НазваниеМетоды разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»
Цветкова Ольга Леонидовна
Дата конвертации08.02.2013
Размер298.06 Kb.
ТипАвтореферат
источник


На правах рукописи


Цветкова Ольга Леонидовна




МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

ШТУКАТУРНЫМ РОБОТОМ


Специальность 05.02.05 — «Роботы, мехатроника и

робототехнические системы»


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Ростов-на-Дону — 2008

Р


абота выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения на кафедре «Электротехника и техническая кибернетика»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Паршин Дмитрий Яковлевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Глебов Николай Алексеевич;

кандидат технических наук, доцент

Лукьянов Евгений Анатольевич


Ведущая организация: Ростовский государственный строительный университет


Защита состоится июня 2008 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.208.24 при Южном федеральном университете в зале заседаний Ученого совета Научно-исследовательского института многопроцессорных вычислительных систем имени академика А.В. Каляева Южного федерального университета по адресу 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2, корп. И, комн. 347.


С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.


Автореферат разослан мая 2008 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.П. Кухаренко

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Штукатурные работы отличаются сложной технологией и использованием в большом объеме ручных методов работы. Несмотря на развитие средств механизации, объем ручных операций на штукатурных работах остается значительным и достигает в отдельных случаях 60%. В настоящее время созданы установки для приема, приготовления, транспортировки и перекачки растворов, установки для нанесения штукатурных растворов на поверхность, а также штукатурно-затирочный инструмент. Это по­зволило получить значительный экономический эффект и снизить трудоемкость работ. Однако операции нане­сения грунта, накрывки и затирки требуют обязательно участия человека. Кроме того, выполнение штукатурных работ связано с повышенной влажностью, распылением раствора, вибрацией, что делает этот вид работ вредным для здоровья и мало привлекательным. В связи с этим во многих странах проводятся работы по механизации и автоматизации штукатурных операций, связанных с подготовкой растворов, нанесением штукатурных растворов на поверхность, их разравниванием и затиркой. Устранить ручной труд, значительно повысить про­изводительность и улучшить качество штукатурных ра­бот возможно на основе комплексной механизации и автоматизации операций. Одним из направлений решения этой задачи является использование манипуляционных роботов и построение на их основе автоматизированных штукатурных комплексов. Решение проблемы роботизации штукатурных работ делают тему диссертационной работы актуальной как в научном, так и в техническом плане.


С середины 80-х годов XX-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций. Среди них ведущую роль занимают ВНИИстройдормаш, МГСУ, ЮРГТУ (НПИ), РГСУ и др. Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций, в частности штукатурных, базируются на трудах ученых Макарова И.М., Фролова К.В., Попова Е.П., Юревича Е.И., Кулешова А.И., Ющенко А.С., Тимофеева А.В., Подураева Ю.В., Бурдакова С.Ф., Каляева И.А. и др., внесших значительный вклад в становление и развитие основ робототехники и мехатроники. Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я., Вильман Ю.А., Булгаков А.Г., Воробьев В.А., Глебов Н.А. Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники, уровень автоматизации и роботизации штукатурных работ остался достаточно низким. Это связано с необходимостью проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, систематизации выполненных исследований. Успешная реализация проблемы создания штукатурных роботов связана с решением задач проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, построения их математических моделей, разработки методов и алгоритмов управления, обеспечивающих выполнение технологических операций.

Настоящая работа посвящена разработке методов анализа и синтеза структурных схем штукатурных манипуляторов, созданию методов и алгоритмов управления, учитывающих состояние рабочей поверхности.

^ Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам. Работа выполнена в соответствии с научным планом работ Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) в рамках научного направления «Создание и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами, системы автоматического управления, регулирования и контроля».

^ Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является роботизация производства штукатурных работ, обеспечивающая повышение эффективности и безопасности их выполнения. Для этого необходимо решить следующие основные задачи:

– исследовать технологические особенности проведения штукатурных работ и разработать принципы построения строительных роботов для штукатурных работ;

– разработать методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров звеньев;

– разработать метод моделирования упругих свойств звеньев и построить математическую модель штукатурного робота, учитывающую взаимодействие инструмента с рабочей поверхностью;

– разработать метод планирования движений рабочего инструмента при выполнении штукатурных операций на поверхности, содержащей запретные зоны;

– разработать методы управления штукатурным роботом при нанесении штукатурного раствора и его разравнивании, обеспечивающие формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат и коррекцию усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность.

^ Идея работы заключается в построении штукатурного робота с манипуляционной структурой, выбор которой проводится на основе сравнительного анализа, а геометрические параметры определяются в результате параметрического синтеза, с управлением, основанном на методах и алгоритмах, обеспечивающих заданное качество управления с учетом характеристик обрабатываемых поверхностей и технологических ограничений.

^ Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, практические результаты работы основываются на методологии системного подхода, основных законах классической механики, теории и методах робототехники, методах математического анализа, теории автоматического управления, методах компьютерного моделирования. Полученные результаты проверялись физическим и компьютерным моделированием.

^ Научные положения, защищаемые автором:

– методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров на основе выполнения критериев, определенных технологией проведения работ;

– метод моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота и математические модели, учитывающие деформации звеньев и взаимодействие рабочего инструмента с поверхностью;

– метод и алгоритмы планирования движений рабочего инструмента, обеспечивающие минимизацию числа нетехнологических переходов при выборе последовательности обхода запретных зон;

– методы структурно-параметрической коррекции усилий нажатия и многоуровневого управления в системе связанного пространства, обеспечивающие стабилизацию усилий нажатия инструмента на поверхность и формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат.

^ Научная новизна работы состоит в разработке:

– метода сравнительного анализа структурных схем, основанного на предложенных критериях эффективности, позволяющих оценить характеристики манипуляционных систем штукатурных роботов с позиции практического применения, и метода параметрического синтеза манипуляционных систем, отличающегося использованием критерия минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения;

– простого и эффективного метода моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, основанного на использовании приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев;

– метода планирования движений рабочего инструмента при обходе запретных зон, отличительной особенностью которого является использование дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов;

– метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, в основу которого положено двухуровневое регулирование усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений и применение критерия минимизации работы при коррекции усилий, метода многоуровневого управления в системе связанного пространства, отличительной особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, методов классической теории управления, основ робототехники, корректностью допущений, принятых при разработке математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными (расхождение не превышает 6,7%).

^ Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации структуры, математические модели, методы анализа, синтеза и управления представляет собой методологические основы для разработки нового класса строительных роботов, отличающихся структурой, технологией взаимодействия с рабочей средой, требованиями к управлению, которые расширяют теорию строительной робототехники.

^ Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в ней структуры, модели, методы и алгоритмы позволяют разрабатывать штукатурные роботы, обеспечивающие необходимую точность, сокращающие трудоемкость работ и повышающие качество их выполнения. Практическая ценность работы состоит в следующем:

– разработанные методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных структур позволяют обоснованно подходить к выбору структурных решений и заданию геометрических параметров звеньев штукатурного робота;

– предложенные математические модели позволяют сократить время разработки и проектирования штукатурных роботов, анализировать их статические и динамические характеристики;

– разработанные методы и алгоритмы управления штукатурным роботом позволяют оптимизировать траекторию движения и достичь заданного качества управления с учетом технологических ограничений;

– предложенные рекомендации по технической и программной реализации комплекса позволяют обоснованно выбирать состав комплекса, структурную схему штукатурного робота, тип системы управления, способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;

– разработанный программный пакет позволяет решать задачи построения моделей штукатурных роботов, моделирования движений и процессов оштукатуривания поверхностей, а так же разработки алгоритмов планирования и коррекции траекторий движения робота.

^ Реализация работы. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ЗАО «Донмеханизация». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Информационные и управляющие системы» РГАСХМ для студентов специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы».

^ Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), научно-практической конференции РГСУ «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2007 г.), международной научно-технической конференции МАУ-2007 (Дивноморское, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006 г.; Ярославль, 2007 г.), а также ежегодных научных конференциях РГАСХМ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печ. работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

^ Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 151 страницу машинописного текста, содержит 65 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 95 наименований.


^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


В первой главе выполнен анализ технологии проведения штукатурных операций, в результате которого определены основные особенности их выполнения, и выявлены наиболее трудоемкие из них, такие как нанесение и разравнивание штукатурного слоя. Обзор средств автоматизации и роботизации штукатурных работ показал, что в настоящее время отсутствуют эффективные средства автоматизации, обеспечивающие нанесение и разравнивание штукатурного слоя. Особенностью штукатурных работ является разнородность используемых технологий для выполнения отдельных операций. Если для нанесения растворов применяется технология набрызга, то для разравнивания материала и окончательной обработки нанесенной штукатурки используют методы силового воздействия на обрабатываемую поверхность.

Исследования и разработки в области строительной робототехники показывают, что наиболее перспективным решением вопросов автоматизации процессов нанесения и разравнивания является совместное применение технологии оштукатуривания, основанной на методе набрызга с последующим разравниванием штукатурного раствора, средств робототехники и микропроцессорных управляющих устройств. Рассмотренные особенности позволяют сделать выводы о том, что выполнение штукатурных работ с использованием средств робототехники требует проведения комплексных исследований, разработки структурной организации штукатурных роботов, решения задач управления, учитывающих условия окружающей среды и качество поверхности.

^ Во второй главе разработана методика проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипулятора. В соответствии с этой методикой были сформулированы основные этапы проектирования структурной схемы штукатурного манипулятора, включающие разработку альтернативных вариантов структурных схем, их сравнительный анализ по предложенным критериям, выбор наилучшей структуры манипулятора и проведение для нее параметрического синтеза.

Для проведения сравнительного анализа предложено использовать следующие критерии:

  • сложность и маневренность структуры;

  • удаленность от рабочей поверхности;

  • высота и ширина зоны обслуживания.

Сравнительный анализ структурных схем предлагается проводить в два этапа. На первом этапе из предложенного многообразия структур выбираются 2-3, обладающие минимальными значениями сложности структуры и удаленности от обрабатываемой поверхности, причем приоритетным является критерий удаленности. На втором этапе проводится сравнение выбранных структурных схем по маневренности , критериям высоты и ширины зоны обслуживания. С целью упрощения и обобщения метода проводимого анализа предлагается для определения указанных показателей исследовать возможность достижения роботом граничных точек, показанных на рис.1, а. Выбор точек обусловлен критерием минимальности их количества и учетом габаритных параметров обрабатываемых поверхностей, а также симметричности зоны обработки относительно плоскости перпендикулярной поверхности.




Для определения сложности структурной схемы штукатурного манипулятора предложено использовать соотношение:

, (1)

где — число степеней подвижности; — количество видов степеней подвижности; — число изменений направлений осей вращения (перемещения) степеней подвижности; — коэффициенты, характеризующие степень влияния составляющих на общую сложность структуры. Чем выше значение этого показателя, тем большими возможностями обладает манипуляционная система. Однако, при этом следует учитывать, что увеличение числа степеней подвижности ведет к усложнению математических моделей робота и алгоритмов управления им.

Важным показателем, характеризующим структурную схему штукатурного манипулятора, является удаленность от обрабатываемой поверхности. Критерий предлагается определять до граничной точки 1 на поверхности (рис.1, а). Для структурной схемы, приведенной на рис.1, б, определяется в соответствии с рис.2, а, из системы уравнений:

(2)

На втором этапе сравнительного анализа используются критерии, качественно характеризующие структурную схему штукатурного манипулятора: высота и ширина зоны обслуживания, при которых возможно выполнение штукатурных операций в соответствии с технологическими требованиями. Увеличение этих показателей ведет к сокращению числа перестановок робота. При оценке высота зоны обслуживания определяется на уровне граничной точки 3 (рис.2, а):

(3)

а ширина зоны обслуживания — на уровне граничной точки 4 (рис.2, б):

(4)



Маневренность структурной схемы штукатурного манипулятора предложено оценивать в процентном выражении, зависящем от числа граничных точек, расположенных на прямоугольной зоне, ограниченной максимальной высотой и максимальной шириной , которых робот достигает при условии выполнения технологических требований (рис.1, а). Маневренность робота с рассматриваемой структурной схемой описывается системой уравнений вида:

граничная точка 2: (5)

граничная точка 5: (6)

Предложенный метод сравнительного анализа структурных схем позволяет выбрать структуру, наиболее полно удовлетворяющую основным технологическим требованиям.

Синтез геометрических параметров предпочтительной структуры манипулятора выполняется с целью определения соотношения длин звеньев, обеспечивающего наилучшие технические характеристики, требуемые высоту и ширину зоны обслуживания, позволяющих в транспортном состоянии перемещать робот через дверные проемы. При этом, исходя из конструктивных требований, учитываемых при проектировании ориентирующих степеней подвижности роботов, а также требования минимизации удаленности от рабочей поверхности, предлагается суммарную длину ориентирующих звеньев принимать равной . При определении наилучшего соотношения длин звеньев переносных степеней подвижности предлагается использовать критерий минимизации суммарной работы, выполняемой приводами робота при отработке типовых траекторий:

, (7)

где — мощность привода j-ой степени подвижности, необходимая для перемещения массы j-го звена робота; — обобщенный момент j-го привода; — обобщенная скорость j-ой степени подвижности; =1,2—1,3 — коэффициент запаса, учитывающий возможное увеличение мощности для динамических режимов движения.

Как показали исследования, использование этого критерия позволяет получить такое соотношение длин звеньев, которое, с одной стороны, обеспечивает требуемую зону обслуживания, а с другой — минимизацию работы, совершаемой роботом. При этом установлено, что изменение длины стойки манипулятора практически не влияет на величину суммарной работы робота. В этом случае высоту стойки манипулятора следует выбирать из конструктивных соображений в пределах 1,2—1,5 м, с учетом прохождения робота через дверные проемы.

Выбор геометрических параметров длин 2-го и 3-го звеньев осуществляется на основании поиска экстремума зависимости работы приводов робота от соотношения длин звеньев (рис.3). При этом рассчитывается удаленность от обрабатываемой поверхности, суммарная длина 2-го и 3-го звеньев , позволяющие роботу при заданных параметрах высоты и ширины зоны обслуживания достигать граничных точек с заданной ориентацией (рис.1, а).

Предложенный метод параметрического синтеза манипуляционной системы позволяет определить звенья, в большей степени влияющие на формирование суммарной работы, совершаемой роботом, и определить такое соотношение их длин, при котором эта работа будет минимальной.

Ответственной и трудоемкой операцией является разравнивание штукатурного слоя. При автоматизации этой операции возникает необходимость регулирования давления рабочего инструмента на поверхность. Для решения этой задачи разработан специальный рабочий инструмент для разравнивания раствора (рис.4). Его особенностью является наличие вибрационно-уплотняющего механизма, выполненного на основе пьезокерамических преобразователей 1. При подаче от устройства управления робота на пьезопреобразователи разнополярных сигналов происходит изменение положения плоскости инструмента 2 относительно рабочей поверхности. Между ними образуется положительный угол , величина которого может составлять 7—10 угл. мин., что позволяет в процессе движения разравнивающего инструмента снизить усилия сопротивления разравниваемого слоя штукатурки, и повысить качество поверхности. При подаче на пьезопреобразователи 1 переменного напряжения создается вибрационный режим работы разравнивающего инструмента 2, что ведет к уменьшению силы трения и улучшению качества поверхности. Математическая модель рабочего инструмента представлена системой уравнений:

(8)

где , — деформация пластины и напряжение j-го пьезопреобразователя; — пьезоэлектрический модуль; — постоянная времени пьезопреобразователей; — усилие в месте контакта j-го пьезопреобразователя с рабочей поверхностью; , — коэффициент упругости пружины и пластины пьезопреобразователя; — смещение пружины относительно j-го пьезопреобразователя; — динамические параметры пружины; — вектор ориентации рабочего инструмента; — углы наклона инструмента; — расстояние между пьезопреобразователями; — длина пружины.

Для анализа и синтеза законов управления штукатурными роботами, а также исследования динамических характеристик, разработаны математические модели, учитывающие их технологические, кинематические и динамические особенности. С целью решения обратной задачи кинематики о положении предложен итерационный метод решения, особенностью которого является учет правил движения рабочего инструмента при выполнении технологических штукатурных операций. Этот метод позволяет сократить время вычислений.

Особенностями построения динамической модели штукатурного робота является необходимость учета динамики взаимодействия рабочего инструмента с упруго-вязкой средой, а также упругих свойств звеньев робота. Динамическая модель штукатурного робота при выполнении им операций по разравниванию штукатурного слоя представлена системой уравнений:

(9)

где — вектор сил взаимодействия инструмента с раствором; , , — коэффициенты упругости раствора, сухого и вязкого трения; — вектор деформации раствора; m — деформируемая масса; — матрица связи обобщенных и декартовых скоростей.

Новым в постановке задачи является учет упруго-вязких свойств штукатурного раствора, с целью обеспечения возможности регулирования усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность в зависимости от характеристик нанесенного слоя. Первое уравнение (9) описывает динамику манипулятора при взаимодействии с поверхностью штукатурного слоя, а второе – динамические свойства среды при влиянии на нее рабочего инструмента. Реализация такой системы возможна при наличии датчиков усилия, расположенных в степенях подвижности манипулятора или в рабочем органе.

Особенностью штукатурных роботов являются значительные размеры звеньев, что вызывает в процессе работы деформации звеньев. Исследования показали, что ошибки из-за деформаций звеньев при отработке траекторий могут достигать 60—80 мм (рис.5). Это требует обязательного их учета. Для штукатурного робота необходимо, чтобы общая масса манипуляционной системы не превышала допустимой нагрузочной способности перекрытий, поэтому актуальной является разработка моделей и алгоритмов управления, обеспечивающих учет деформаций звеньев. Для учета упругих деформаций звеньев, возникающие в процессе работы манипулятора, предлагается использовать матрицы преобразований:

; , (10)

где — угол между заданным и действительным положениями звена; — однородная матрица сложного преобразования для смежных систем координат.

Такой подход является эффективным в вычислительном отношении в связи с использованием линейных преобразований. Угол деформации звена зависит от жесткости конструкции и сил, действующих на звенья (рис.6):

, (11)

где — прогиб i-го звена робота; — длина звена;  — модуль упругости; — момент инерции сечения звена; — диаметр сечения звена; — сила, действующая на i-ое звено со стороны (i+1)-го звена.

Представленная на рис.7 математическая модель штукатурного робота учитывает характер взаимодействия рабочего инструмента с упруго-вязкой средой штукатурного слоя, а также деформацию звеньев манипулятора за счет упругих свойств конструкции.



Рис.7. Математическая модель штукатурного робота

^ В третьей главе сформулированы задачи, которые необходимо решить для реализации управления штукатурным роботом: преобразование координат траектории, заданных в системе координат поверхности в базовую систему координат робота, прогнозирование движений с учетом возможных запретных зон, оптимизация скорости движения в зависимости от неровностей поверхности, коррекция усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность.

На основе разбиения траектории на элементарные участки, использования предложенного математического описания участков, а также применения уравнений связи систем координат поверхности и робота, строятся траектории движения штукатурного робота. В случае точной установки и ориентации робота относительно рабочей поверхности, его система координат параллельна системе координат помещения: . Если в процессе установки робота не была соблюдена точная ориентация, необходимо учитывать углы, характеризующие рассогласования систем координат робота и помещения. При этом робот в ручном режиме определяет координаты 4-х граничных точек поверхности, а также задаются координаты 3-х точек основания робота. Углы рассогласования определяются с использованием скалярного произведения соответствующих векторов. Связь систем координат поверхности и робота описывается выражениями:

(12)

Результаты исследований показали, что разработанный метод построения траекторий движения штукатурного робота позволяет реализовывать прямолинейные траектории и дуги окружности, исходя из габаритных параметров обрабатываемых поверхностей, а также с учетом углов рассогласования ориентации робота относительно поверхности.

Особенностью планирования движений рабочего инструмента штукатурного робота является необходимость обхода запретных зон. Для решения этой задачи разработан метод планирования движений, обеспечивающий обход запретных зон, основанный на использовании предложенного математического описания типовых траекторий, а также данных о форме, габаритах и местоположении запретных зон. Поверхность, подлежащая обработке, представляется в виде множества участков , где — количество участков. Компонентами этого множества являются участки траектории, не содержащие нетехнологические переходы: , где — координаты инструмента на участке траектории в системе координат робота; , — номера линии и точки на участке . Координаты точек траектории движения задаются функциями, вид которых определяется алгоритмом обхода запретных зон:

, (13)

где — ширина и высота запретной зоны;  — координаты базовой точки запретной зоны в системе координат робота.

Основным условием при формировании алгоритма обхода запретной зоны является сокращение количества нетехнологических переходов . Для решения этой задачи обрабатываемая поверхность разделяется на участки (рис.8) и определяется последовательность их обхода на основе координат последней точки предыдущего участка. Варианты объединения простейших участков представляются в виде дерева, на котором узлами отображаются участки поверхности с указанием направления движений инструмента на этих участках, а переходы между участками изображаются сплошными линиями со стрелками в случае отсутствия и пунктирными — в случае наличия нетехнологического перехода. Дерево строится по правилу, в соответствии с которым в левую ветку добавляются участки, обрабатываемые без возникновения нетехнологических переходов. В общем случае дерево обхода участков поверхности описывается системой множеств: , где — множество участков; — множество технологических и нетехнологических переходов между участками; — множество входных и выходных участков; — отношение инцидентности. При этом должны выполняться условия: , . Отношение инцидентности указывает на то, что для каждого перехода существует единственный элемент , , задающий для него входное и выходное множество участков. Минимальное количество нетехнологических переходов имеет место в случае, когда количество эквидистантных линий на двух первых участках является одинаковой четности, т.е. выполняется условие:

(14)

где — четность эквидистантных линий на 1-ом и 2-ом участках; — высота участка; — ширина эквидистантной линии траектории; — функция вычисления остатка от деления .

Результаты моделирования показали, что разработанный метод позволяет эффективно осуществить выбор последовательности обхода рабочим инструментом запретной зоны по критерию минимизации количества нетехнологических переходов.

С целью обеспечения требуемого силового взаимодействия рабочего инструмента с обрабатываемой поверхностью был разработан метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия, основанный на двухуровневом регулировании усилий в зависимости от величины их рассогласования. Сигнал о действительном значении усилия, снимаемый с силомоментного датчика, сравнивается с ограничениями , . При этом, если , то регулирование усилий не требуется. В случае, когда усилия нажатия не превышают максимальный предел , определяемый возможностями пьезопреобразователей, то коррекция усилий осуществляется с помощью пьезопреобразователей рабочего инструмента. Если же рассогласование превышает , то коррекция проводится путем изменения обобщенных координат робота.

В процессе управления штукатурным роботом должны одновременно выполняться требования по допустимым отклонениям координат траектории и усилий: , , где — допустимые ошибки управления по обобщенным координатам и по усилию нажатия; и  — заданные и действительные значения обобщенных координат и усилий в месте контакта. Если при движении по заданной траектории усилие в месте контакта выходит за допустимые пределы, то проводится коррекция моментов в степенях подвижности с сохранением требуемой точности отработки траектории . Это осуществляется путем вычисления на каждом шаге управления вектора корректировки значений обобщенных координат. Если траектория движения рабочего инструмента измеряется с относительно маленьким шагом, то достаточно будет корректировать координаты в следующей i-ой точке (рис.9). Для этого определяются новые декартовые координаты положения рабочего инструмента: , где — приращение декартовых координат положения инструмента; — нормаль единичной длины к плоскости поверхности (направленная от поверхности); — пропорциональный коэффициент (чем больше разница между действительным усилием на предыдущем шаге и заданным усилием на i-ом шаге , тем больше будет коэффициент и тем больше инструмент отодвинется от поверхности); y — коэффициент коррекции, зависящий от физических параметров системы (типа поверхности, раствора, вида рабочего инструмента и др.); — заданное значение декартовых координат на i-ом шаге. Приращения обобщенных координат , позволяющие перевести инструмент из точки в точку , определяются из следующей системы уравнений:

(15)

где — матрица Якоби; ; — перемещение из точки в точку ; — вектор заданных обобщенных моментов на i-ом шаге.

Первое уравнение этой системы обеспечивает перемещение инструмента в точку , а второе — минимизацию работы, совершаемой роботом при переходе из точки в точку .

Для определения оптимальных приращений обобщенных координат , обеспечивающих поддержание заданного усилия нажатия инструмента , предложено использовать векторный критерий:

(16)

где .

Такой критерий обеспечивает итерационный поиск приращений по обобщенным координатам с учетом минимизации работы, совершаемой роботом, и его следует использовать в алгоритмах управления роботом при выполнении разравнивающих операций.

На основе предложенного метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия был разработан алгоритм управления, обеспечивающий коррекцию обобщенных координат в случае превышения заданных усилий нажатия. С целью подтверждения работоспособности алгоритма управления исследовалась типовая горизонтальная траектория движения рабочего инструмента, заданная декартовыми координатами . Требуемые усилия нажатия рабочего инструмента на поверхность варьировались в пределах . В процессе работы алгоритма были сформированы новые координаты траектории движения рабочего инструмента , обеспечивающие достижение допустимых усилий нажатия . Результаты представлены на рис.10.



а) б)

Рис.10. Результаты моделирования работы алгоритма управления роботом:

а — изменение усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность;

б — изменение положения рабочего инструмента

Моделирование алгоритма управления показало, что предложенный метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность позволяет сократить временные затраты на расчет управляющих воздействий, вследствие использования двухуровневого регулирования в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений усилий.

С целью решения сформулированных выше задач штукатурного робота предлагается метод многоуровневого управления в системе связанного пространства. Особенностью метода является взаимосвязь систем координат робота и поверхности, обеспечивающая формирование управляющих функций в слабосвязанных системах координат, а также использование предложенных методов и алгоритмов управления, позволяющих роботу выполнять две разнотипные технологические операции: нанесение и разравнивание раствора. На основе этого метода была разработана структура системы управления штукатурным роботом (рис.11).



Рис.11. Структура управления штукатурным роботом при нанесении раствора

Функцией верхнего уровня управления является формирование векторов, описывающих траекторию движения рабочего инструмента в базовой системе координат. На втором уровне на основе интерполирующих алгоритмов проводится задание законов изменения обобщенных координат и скоростей. Третий уровень является исполнительным. На этом уровне вычисляется закон изменения напряжений двигателей робота, необходимый для реализации траектории и сил взаимодействия с поверхностью. Особенностью системы управления, в случае выполнения операции разравнивания штукатурного слоя, является то, что в ней присутствуют измерительные средства контроля усилий контакта рабочего инструмента и поверхности. Такая структура позволяет повысить вычислительную способность системы управления за счет распараллеливания вычислительного процесса.

^ В четвертой главе сформулированы предложения по технической и программной реализации комплекса, включающие предложения по составу комплекса, структурной схеме штукатурного робота, типу системы управления, способам программной реализации предложенных алгоритмов и методов управления. Разработан прикладной программный пакет «Штукатурный робот» для автоматизации процесса построения математических моделей штукатурного робота, моделирования движений и процессов оштукатуривания, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирования траекторий, визуализации движения рабочего инструмента.

Для подтверждения работоспособности разработанного рабочего инструмента и адекватности построенных математических моделей проведены натурные испытания макета робота. Результаты испытаний и исследований позволили сделать следующие выводы. Предложенная структура манипулятора, взятая за основу построения штукатурного робота для разравнивания раствора в режиме скольжения, обеспечивает необходимое качество и позволяет автоматизировать процесс. Установка рабочего инструмента с углом наклона в пределах 7—10 угл. мин. относительно проектной плоскости обрабатываемой поверхности позволяет улучшить качество поверхности, а также уменьшить усилие нажатия на 18,2%—42,3% за счет снижения усилий сопротивления разравниваемого штукатурного слоя. При использовании вибрационного режима с амплитудой вибраций в пределах A=1—1,5 мм и частотой вибраций в пределах f=40—60 Гц повышается гладкость поверхности, за счет уменьшения силы трения между поверхностью разравнивающего инструмента и слоем раствора. Математическая модель штукатурного робота обеспечивает определение сил взаимодействия рабочего инструмента с поверхностью с относительной погрешностью 3%—6,5%, что достаточно для ее использования при исследовании, проектировании и управлении штукатурными роботами. Математическая модель штукатурного робота обеспечивает учет упругих свойств звеньев с относительной погрешностью 1,5%—6,7%, что позволяет использовать ее в процессе дальнейших исследований динамических свойств штукатурного робота. Математическая модель рабочего инструмента для разравнивания штукатурного раствора обеспечивает определение сил нажатия рабочего инструмента на поверхность, создаваемых пьезопреобразователями, с относительной погрешностью 1,6%—5,7%.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В диссертационной работе решена научно-техническая задача роботизации производства штукатурных работ, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности их выполнения. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие основные научные выводы и практические результаты:

1. Научно обоснована целесообразность автоматизации штукатурных работ на основе создания роботизированных штукатурных комплексов, позволяющих повысить безопасность и качество выполнения штукатурных работ, снизить трудоемкость.

2. Предложена методика проектирования структурной схемы штукатурного манипулятора, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционной системы. Для сравнительного анализа структурных схем манипулятора предложены критерии оценки их эффективности, позволяющие сравнить характеристики манипуляционных систем с позиции практического использования. Разработан метод параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, отличающийся использованием критерия минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения.

3. При проведении операции разравнивания раствора рекомендуется использовать разработанный рабочий инструмент, позволяющий регулировать давление на поверхность с помощью пьезопреобразователей, а также уменьшать силу трения при скольжении разравнивающего инструмента за счет использования вибрационного режима работы или изменением угла наклона инструмента относительно поверхности.

4. Особенностью построения математических моделей штукатурных роботов является необходимость учета упругих свойств звеньев. В связи с этим был разработан простой и эффективный метод моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, отличающийся использованием приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев.

5. В случае, когда штукатурный робот обрабатывает поверхность, содержащую запретную зону, предлагается использовать метод планирования движений рабочего инструмента, особенностью которого является построение дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов.

6. Установлено, что для достижения требуемого качества обрабатываемой поверхности необходимо регулирование усилий нажатия рабочего инструмента штукатурного робота на поверхность. Разработанный метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, выполняющий двухуровневое регулирование, обеспечивает стабилизацию усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений с минимальными затратами работы при коррекции усилий.

7. Разработанный метод многоуровневого управления в системе связанного пространства, особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности, обеспечивает формирование управляющих воздействий для приводов робота при слабосвязанных системах координат робота и обрабатываемой поверхности. Использование алгоритмов многоуровневого управления позволяет роботу выполнять технологические операции нанесения и разравнивания штукатурного раствора.

8. Используя предложенные модели, методы и алгоритмы разработан прикладной программный пакет, обеспечивающий автоматизацию процесса построения математических моделей штукатурного робота, моделирования движений и процессов оштукатуривания, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирование траекторий, визуализации движения рабочего инструмента.

9. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность предложенного рабочего инструмента при проведении разравнивающих операций. Моделирование и экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных математических моделей штукатурного робота и рабочего инструмента, поскольку относительные погрешности не превышают 6,7%.


^ Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Цветкова О.Л. Управление движением строительных роботов [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Мехатроника, автоматизация и управление.– 2007. – №12. – С.47.

2. Цветкова О.Л. Робот для оштукатуривания внутренних помещений [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Изв. вузов. Сев.-Кавказ. регион. Спец. вып. – 2007. – С.44-46.

3. Цветкова О.Л. Оптимизация геометрических параметров кинематической структуры штукатурного робота [Текст] / О.Л. Цветкова // Электротехника и автоматика в строительстве и на транспорте: межвуз. сб./ РГСУ. – Ростов н/Д, 2005. – 107с. – С.9-15.

4. Цветкова О.Л. Динамические модели отделочных роботов [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XIX междунар. науч. конф. / ВГТА. – Воронеж, 2006. – Т.10. – 250с. – С.219-222.

5. Цветкова О.Л. Динамическая модель штукатурного робота [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Известия РГСУ. – 2006. – №10. – С.305-308.

6. Цветкова О.Л. О надежности решения задач управления в «рассыпающейся» системе [Текст] / А.И. Зотов, О.Л. Цветкова // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. тр. XX междунар. науч.конф. / ЯГТУ. – Ярославль: Изд-во Яросл. гос. техн. ун-та, 2007.–Т.4– 270с. – С.129-130.

7. Цветкова О.Л. Разработка математической модели штукатурного робота с учетом упругости звеньев [Текст] / О.Л. Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства: сб. науч. тр./ РГАСХМ. – Ростов н/Д, 2007. – 262с. – С.255-257.

8. Цветкова О.Л. Построение кинематической модели штукатурного робота [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства: сб. науч. тр./ РГАСХМ. – Ростов н/Д, 2007. – 262с. – С.8-11.

9. Цветкова О.Л. Адаптивное управление штукатурными роботами [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Мехатроника, автоматизация, управление – 2007: материалы междунар. науч.-техн. конф., 24-29 сент., Дивноморское, Геленджик / ЮФУ. – Таганрог; М., 2007. – 470с. – С.438-442.

10. Пат. 68413 Российская Федерация. Робот для разравнивания штукатурного раствора [Текст] / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова, Ю.В. Степанов – №2007120135; заявл. 29.05.07; опубл. 27.11.07, Бюл. № 33.


Подписано к печати 07.05. 2008 г. Формат 6084/16

Бумага офсетная. Объем 1,3 усл. печ. л., 1,0 уч.-изд. л.

Заказ № 2/08. Тираж 100 экз.




Редакционно-издательский отдел РГАСХМ ГОУ

344023, г. Ростов-на-Дону, ул. Страны Советов, 1






Похожие:

Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconДипломатическая академия мид РФ кафедра государственного управления и информационных технологий. Курсовая работа на тему «Домашние роботы». студентка 1 курса дневного
По словам специалистов, к концу 2010 года роботы будут ухаживать за пожилыми людьми и инвалидами, а также смогут заменить хирургов,...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconРеферат по дисциплине «Мобильные роботы» «Шагающие роботы»
Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconГрибок управляет роботом
Учёные заставили зелёный плесневый грибок, размеры которого могут составлять до нескольких метров в диаметре, управлять шестиногим...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconРеферат Робототехнические комплексы (ртк) предназначенные для технологического процесса сборки Характеристики и структура ртк сборки
Промышленные роботы применяют для автоматизации операций при выполнении всех видов сборочных работ. На операциях сборки под дальнейшую...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconПлан-график внедрения и реализации федеральных государственных образовательных стандартов начального общего образования (фгос ноо)
Создание рабочей группы для разработки и управления программой изменений и дополнений образовательной системы оу
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconКурсовая работа по схемотехнике Тема Разработка контроллера управления робототехнической системы Исходные данные
Контроллер управления робототехнической системой (только цифровая часть системы)
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconМетодологические основы разработки моделей тренировочных занятий
Это, в свою очередь, послужило основанием для уточнения некоторых сторон тренировочного процесса, отбора футболистов, разработки...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconКафедра аэмс
«Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением,...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconПромышленный Робот манипулятор имеет "механическую руку" (одну или несколько) и вынесенный пульт управления или встроенное устройство программного управления, реже ЭВМ
С 30-х гг в связи с автоматизацией производства Роботы автоматы стали применять в промышленности наряду с традиционными средствами...
Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом с пециальность 05. 02. 05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» iconПрактика управления так же стара, как и организация. Шли годы, управление некоторыми организациями становилось все более четким, сложным, а сами организации становились все более сильными и более устойчивыми
У нас была плановая экономика, и она из зарубежного опыта принимала только организационную сторону управления – структуру, распределение...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©zazdoc.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы