автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение систем управления робототехнических комплексов

од

/

1934

2

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Институт прикладной математики имени М.В.Келдыша РАН Институт механики БАН

На правах рукописи

Делчев Камен Кръстев

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

АВТОРЕФЕРАТ

Специальность 03.13.И - математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов и систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, Институте прикладной математики имену. М.В.Келдыша РАН, Институте механики БАН.

Научный руководитель - академик РАН, профессор Д.Е.Охоцимский

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор А.К.Платонов

- кандидат физико-математических наук С. Л. Зенкевич

Ведущая организация - Институт проблем улравления РАН

Засщта диссертации состоится 0 6 1994 г. в _

часов на заседании специализированного совета Д 002.40.01 при Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН С125047, г.Москва, Миусская пл. 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан " "_ 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета

кан д. физ. -мат. наук / Т. А „ П о л и л о в а /

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Главным признаком, определяющим функциональные возможности и технико-экономические показатели роботов и РТК, служит принцип управления. В основе системы управления роботов I поколения лежит принцип программного управления, а роботы II и III поколения строятся на принципах адаптивного управления и искусственного интеллекта. Со своей стороны принцип управления определяется алгоритмами и их программно-аппаратной реализацией, требующей соответствующих вычислительных средств и сенсорных устройств. Однако, как показано в работах Д. Е. Охоцимского, адаптивное поведение роботов вавтоматической сборочной системе можно организовать на основетолько позиционной обратной связи без использования зрительного или с^ломоментного очувствления.

Следовательно, если цифровая СУ и сенсорная система имеют априори зафиксированные небольшие возможности, самый эффективным подходом повышения их функциональных и технико-экономических характеристик является разработка более сложных алгоритмов управления и программного обеспечения.

Работа посвящена трем важным аспектам разработки системы управления роботами: групповое управление, позиционная система управления на основе самообучения и идентификация коэффициентов в уравнениях динамики манипуляторов.

Подход группового управления, который применялся при разработке специализированного робототехнического комплекса для автоматизации сборочно-прессовых операций С СТО РТК), обуславливается уменьшением времени выполнения общего технологического цикла.

Самообучение позволяет оптимизировать время выполнения движений типа "от точки к точке" на основе обратной связи только по позиции и обеспечить точное позиционирование при наличии люфтов в передачах.

Актуальность поиска алгоритмов С схем ) построения тестовых движений для идентификации коэффициентов уравнений динамики манипуляторов обуславливается тем, что предлагаемые различными исследователями алгоритмы этого типа в основном предусматривают

выполнение тестовых движений с постоянной скоростью. При этом, реализация идентификации в замкнутом по скорости контуре управления приводами противоречит предположение об априорной неопределенности динамических параметров исполнительных механизмов и приводов. Поэтому становится целесообразным синтез схемы тестовых движений, обеспечивающей идентификацию в разомкнутом Спо скорости) контуре управления.

Основной целью дисертационной работы является построение алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для трех различных систем управления робототехническими комплексами автоматизации производства: цикловая система группового управления ССГУЭ СПО РТК; позиционная система адаптивного управления манипуляционным роботом на основе самообучения; адаптивная система управления манипуляторами с ротационными кинематическими парами Сантропоморными манипуляторами) на основе идентификации коэффициентов электромеханической модели.

Методы исследования. В работе были использованы методы математического моделирования, теории оптимального управления, численные методы решения краевых задач. При разработке программного обеспечения микропроцессорных систем управления использовался инструментальный язык высокого уровня МРЬ.

Научная новизина. . Синтезирована гибридная

последовательно-децентрализованная схема обслуживания процессором программных модулей для группового управления. Предложена электромеханическая модель динамики манипулятора с самотормозящимися приводами и на ее основе синтезировано субоптимальное по быстродействию управление с обратной связью по скорости. Предложена схема ускорительных тестовых движений и выведены формулы для идентификации коэффициентов уравнений динамики манипуляторов с ротационными кинематическими парами.

Научно-практическая значимость. Реализована модульная декомпозиция технологического комплекса на основе существующего макета СПО РТК, включающая определение автономных в технологическом аспекте задач. Созданы алгоритмы и программное обеспечение для группового управления СПО РТК, которое является оболочкой резидентной операционной системы СМШВШ для МП М6800-Мо1ого1а). Синтезированный специализированный

проблемно-ориентированный язык группового управления СТО РТК позволяет определить СГУ как инструментальную систему для застройки, отладки и функционирования комплекса.

Для решения задачи минимизации необходимого времени движения типа "от точки к точке", на основе принципа максимума Понрягина тредлохена субоптимальная структура управления роботом PAII-M1 с самотормозящимися приводами. Синтезирован безидентифихационный адаптивный алгоритм самообучения для решения задачи "быстродействия" методом "стрельбы" при полностью неизвестных тараметрах уравнений динамики PAII-M1 и с использованием гаформации только о позиции. При помощи идентификационного подхода синтезирован алгоритм для определения минимальных управляющих сигналов, реализирующих "ползучие" скорости звеньев манипулятора 3АП-М1 в окрестности точки позиционирования. Для синтезированных шгоритмов написаны на языке MPL, отлажены и экспериментально фоверены программы, входящие в состав системы управления робота 'AII-M1.

Реализация результатов работы. Проведенные испытания по [адехности СПО РТК показали высокую работоспособность системы 'руппового управления. Время выполнения технологического цикла при 'рупповом управлении СПО РТК, по сравнению со временем при ласическом управлении по общей циклограмме, уменьшилось на 30'/,.

Проведенные на макете PAII-M1 эксперименты показали, что [утем применения адаптивных алгоритмов самообучения для каждой 1аданной точки позиционирования практически возможно определение [араметров субоптимальных по быстродействий законов управления, >еализуемых на микроконтролерах с небольшими вычислительными юзможностями и с использованием обратной связи только по позиции, [рименение идентификационных алгоритмов, вычисляющих параметры правления для реализации "ползучих" скоростей в окресностях 1аданных точек, позволяет достичь точности позиционирования в [есколько раз выше точности, определяющемой существующими люфтами.

Апробация. Основные результаты дисертационной работы укладывались на:

1. Второй международной молодежной школе "Применение ¡иомеханики и бионики в робототехнике". Сл. Бряг С 1986 };

2. Специализированном семинаре сектора "Устойчивость и

управление механических систем" института механики и биомеханики -БАН С 1983 );

3. Семинаре сектора "Устойчивость и управление механических систем" института механики и биомеханики, Гвлечица С 1986 );

4. Третьей мекдемародной конференции проблем управления промышленными роботами " РОБКОН'З ", Варна С 1985 );

5. Семинарах лаборатории "Динамика и оптимизация робототехнических систем" института механики - БАН С 1992,1993).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заклечения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 149 страниц машинописного текста и 43 рисунков. Библиография содержит 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована основная цель дисертационной работы, задачи синтеза алгоритмов управления и разработки программного обеспечения трех типов СУ - группового управления СПО РТК, самообучения робота PAII-M1 при движениях "от точки к точке" и идентификации динамических параметров электромеханической модели манипуляторов. Приведены структурно-алгоритмические схемы этих систем; являющимися упрощенными вариантами общей схемы СУ роботов и РТК III поколения. Аргументирована актуальность темы, описана структура диссертации и дано краткое содержание по главам.

В первой главе описаны этапы построения системы группового управления СПО РТК, синтез алгоритмов и разработка программного обеспечения.''

В первом " параграфе . этой главы • делается обзор основныхпринципов построения СГУ. Рассматриваются характерные особенности СГУ РТК, подходы построения специализированных и универсальных СГУ РТК, структурная организация систем циклового управления РТК,алгоритмы управления и программное обеспечение СГУ РТК.

Построение СГУ РТК проходит три основных этапа; модульная декомпозиция - технологического комплекса,автоматизация

робототехническими средствами технологическихзадач и синтез группового управления РТК.

Для построения специализированных СГУ РТК эти этапы

выполняется в упомянутом вше порядке. На первом этапе в зависимости от существующего набора робототехнических средств заданная технология разбивается на технологически и пространственно автономные модули, независимые в технологической отношении и асинхронно выполняемые задачи. На втором этапе полученные автономные модули оснащаются робототехническиыи средствами автоматизации - приобретаются, адаптируются, проектируются и изготавливаются, расстанавливаются роботы и манипуляторы, технологическое и вспомогательное оборудование. На третьем этапе синтезируется система группового (асинхронного) управления автономными технологическими модулями РТК.

Основная особеность прохождения этих этапов в процессе построения СГУ СПО РТК состояла в том, что для снижения расходов, уменьшения степени риска при изготовлении комплекса и обеспечивания требуемого потребителем социального эф$зета разработки, первым был выполнен этап оснащения технологии робототехническими средствами автоматизации на основе проекта организации междуоперациых связей с участием автора.

Для однопроцессорных СГУ основной проблемой алгоритмической организации программного обеспечения является дисциплина обслуживания процессором программных модулей проблемно-ориентированного входного языка, модулей управления геполнительными устройствами, драйверов каналов ввода/вывода, фограмм контроля и диагностики.

О

в г

рис. 1.

Как правило самыми пригодными для группового управления

является схема дисциплины обслуживания с центральным диспетчером Срис. 1в) и схема децентрализованного обслуживания Срис. 1г).

Во втором параграфе формулируется задача построения СГУ СПО РТК. Описываются технологический процесс, подлежащий автоматизации, объект управления и аппаратная реализация СУ.

На основе горизонтальной замкнутой параллельной организации междуоперационного транспорта с поперечными связями и ветвлениями последовательного типа, заданная технология (сборка матрицы с заготовкой, отпрессование детали, разборка матрицы и палетизация готового изделия) осуществляется при помощи пяти цикловых манипуляторов с одной или двумями призматическими Слинейно перемещающимися) кинематическими парами V класса, транспортера, двух палетизирующих столов, вспомогательных устройств Собмазки и очистки). Макет комплекса представлен на рис.2.

г+ОО палета 2

ш

гИГ

Ш1

2--ЧШ

ж

ЧЕ

Ш^П

и

ж

1-НЖ] палета 1

шь-

ин-

люк

пресс ТНман. Ы

очистка обмазка рис. 2.

Задача построения циклового группового управления СПО РТК включает модульную декомпозицию уже существующего макета технологического комплекса - анализ реализуемого комплексом технологического процесса, определение всех независимых Св смысле параллельного выполнения) технологических задач. Группирование устройств, выполняющих эти задачи, разработка алгоритмов и программного обеспечения СГУ СПО РТК производится на основе аппаратно-реализованного комплекса.

В третьем параграфе реализуется модульная декомпозиция технологии, выполняемой на СПО РТК. Синтезируется алгоритм группового управления СПО РТК и описывается программное обеспечение СГУ СПО РТК, включающее проблемно-ориентированный языки нтерактивного супервизорного управления СПО РТК.

В результате модульной декомпозиции все исполнительные

устройства СПО РТК были сгруппированны в шести группах пространственно и технологически автономных модулей: пять манипуляторов с технологически связанными с ними устройствами и замкнутый транспортер. Синхронизация мезду отдельными технологическими циклами осуществляется перед запуском транспортера для перемещения спутников по замкнутому пути Срис.2.) после завершении самой длинной по времени задачи. Достигнута максимальная глубина декомпозиции Сна существующем макете), поскольку технологические операции в групах необходимо выполнять только в последовательном порядке.

Созданное программное обеспечение СГУ СПО РТК является оболочкой операционной системы и построено по модульному принципу - каждому координатному движении исполнительных механизмов СПО РТК соответствует программный модуль. Оно в интерактивном режиме позволяет оператору выполнять: командное С"ручное") управление исполнительными устройствами СПО РТК, обучение Сперепрограммирование) комплекса и автономное выполнение заданного технологического процесса. Это осуществляется при помощи синтезированного для группового управления СПО РТК специализированного проблемно-ориентированного языка.

Алгоритм группового управления СПО РТК синтезирован на основе гибридной последовательно-децентрализованной дисциплины обслуживания процессором программных модуле® (рис.3), что позволило реализовать этот алгоритм на однопроцессорном устройстве управления СПО РТК в однопрограммноы режиме работы. *

п- модуль коорд. движения

рис. 3.

В соответствии со схемой рис. 3, на каждом такте управления процессор последовательно сканирует шесть управлявших модулей, связанных непрерывными линиями на рис. 3, для каждой группы

исполнительных механизмов, модуль опроса операторского пульта, модуль опроса датчиков и модуль вывода управляющих сигналов. Одновременное независимое выполнение шести технологических задач обеспечивается асинхронным выбором управляющих модулей в указанной Срис.З) шестерке при помощи междумодульных связей, синтезированных в процесс обучения СПО РТК. Выбор управляющего модуля движения производится по внешнему сигналу о завершении текущей технологической операции. Более подробная схема этого процесса показана на рис. 4.

из группы п-1^ ¿цац ш | г:

< защита \ движения у

< время \ движения у

М

М

новы!! адрес

С

запуск движения

¿а

< контроль ч движения у

выбор режима

диагн. ошибки

г-и А1)1Мп+1У1

СТОП

Рис. 4.

Ячейка памяти АБОК С рис. 4) содеркит адрес вызываемого на каждом такте управления текущего модуля движения. После перехода по этому адресу, первым выполняется блок программной защиты выполняемого движения. В этом блоке проверяется состояние всех устройств, которые могут вызвать конфликтную ситуацию при выполнении текущего движения. Если состояние на соответствует заданному Сбезопасному), вызывается блок аварийного останова, блок диагностики ошибки и осуществляется переход к программа выбора рехшма работы. В противном случае вырабатываются, сигнала для выполнения заданного движения. Следующий блок проверяет - истекло ли время, отведенное для выполнения движения, и, если это произошло, вырабатывается сигнал ошибки. Четвертый блок проверяет условие правильного окончания движения. Если движение Стехнологическая операция) еще не окончено, управление передается модулю следующей группы Сследующему из шестерки). Есяу движение

1.0

окончено правильно, оно прекращается и в ADDR заносится адрес дедуля, выполняющего следующее движение (новая технологическая операция). Новый адрес определяется введенной в режиме обучения программой для выполнения технологической задачи этой группы.

Описанный алгоритм обеспечивает групповое управление СТО РТК в режиме автономной работы. Он оказывает существенное влияние на реализацию режимов командного управления и обучения, поскольку модульная реализация программного управления всех координатных движении исполнительных устройств СПО РТК естественным способом ведет к реализации этих режимов на основе проблемно-ориентированного языка. Оснащение узко специализованного комплекса воможностями перепрограммирования технологических задач на основе проблемно-ориентированного языка, который не требует от оператора особых познаний в области программирования, полностью себе оправдывает облегченной отладкой и настройкой огделдап устройств и систем СПО РТК, а также и автономной работы мплекса в целом. ' Таким образом реализованное програмное обесш тение (программная среда группового управления СПО РТК), является инструментальной системойд ля разработки комплекса.

Проведенные испытания по надежности СПО РТК показали высокую работоспособность системы группового управления. Время выполнения технологического цикла при групповом управлении СПО РТК С26 s) по сравнению со временем при классическом цикловом управлении под общей циклограммой на 304 меньше Спри одинаковых скоростях движений механизмов в сравнивамых способах управлений СТО. PJTK).

Точность позиционирования и повторяемость в конеч! лс точках координатных движении манипуляторов (на конечных упорах) -не превышает 0.05mm, а в промежуточных точках позиционирования (по реперам при помощи индукционных датчиков положения) не превышает 0.1mm. Достигнутая относительно высокая точность позиционирования при групповом управлении СПО РТК (процессорное время цикла управлении порядка 14ms) объясняется параметрами движений гидроприводов манипуляторов.

Вторая глава посвящена синтезу адаптивного управления лабораторным макетом робота PAII-M1 при движениях типа "от точки к точке" на основе принципа самообучения.

В первом параграфе этой главы делается обзор подходов для

решения краевой задачи "оптимального быстродействия" методом "стрельбы" ва основе релейного управления придвижениях типа "от точки к точке", вытекавшего из принципа максимума Понтрягина.

Во втором параграфе описывается робот РАП-М1, состоящий из манипулятора с пятью. степенями свободы. Все степени реализованы ротационными кинематическими парами V класса, четыре - для региональных движений, а пятая - для ориентации электромагнитного охвата. Робот оснащен электроприводами - двигатели постоянного тока с постоянными магнитами Р1К-6, Р1К-8, ДПР-62, червячными сомотормозящимися редукторами и импульсными фотоэлектрическими датчиками ФРП-7Н. Цифровая микропроцессорная СУ построена на базе МП И3800/СМ501.

На основе обшей электро-механической модели манипуляторов предлагаются уравнения динамики манипулятора с самотормозящимися приводами РАП-М1:

1) А'Сч^ + Ь'Ся.я) + д'Ся) = уСО = О'ЧсИадСо^ЭАСя) + (НадС^)]; Ь*Сч,яЗ = О'Ч^адСсг^ЬСя.я) + сИадС^С^+с^^'ЗЗд]-; д*СЧ) = 0"1с11адСо,1)дСя);

0 = сИадС^с^Э; 1 = 1.....,4 .

Здесь уШ - вектор управляющих напряжений, ^ - передаточные числа редукторов, ^ - моменты инерции роторов двигателей, ^ -коэффициенты трения приводов, с - соответственно коэффициенты электромагнитного момента, противо-ЭДС и сопротивление якоря двигателя. Коэффициенты <£ учитывают свойство "самоторможения" червячных редукторов у приводов-робота.

Формулируются условия Е,3, при которых у = 1 двигательнагружен, например, режим разгона двигателей, у = 0 -двигательразгружен, режим самоторможения. В режиме самоторможения движение звеньев описывается распадающейся линейной системой 4.

Су

дпСМ1"1^1и1>в1яп М1 , «1дпСМ1-1^,и1)=«1дп ю'

i = 1.....4 .

двигателя, ut - обобщенный инерционные, кориолисовые, = ^ g - угловая скорость для двигателей постоянного

5) 63

где Q с R

43 q + а q = i v (t3 ,

где Mi - электромагнитный момент i момент на валу привода, включающий центробежные и гравитационные силы, и двигателей, = J"t ij + •{' f . тока Cj = dj, и = J-'N^'i^'Cj.

К уравнению Cl) добавляются краевые условия С53, ограничения С63: q(t°3 = q° , qCt°3 = О

qCtf3 = qf , q(tf3 = 0 |Uj Ct31 < uj1", i = 1 ... n

qCt3e Q , qC13e q' ,y te Li0,!1]

- пространство конфигураций манипулятора, a Q с R -множество реализуемых обобщенных скростей.

Тогда задачу быстродействия для PAII-M1 на движениях типа "от точки к точке" можно сформулировать следующим образом:

Из всех допустимых управлений v(t3, переводящих С13 при ограничениях С63 из точки q° в точку qf найти такое управление, которое делает этот переход за кратчайшее время. Существование допустимых управлений обеспечивается выполнением сформулированных П.Мариновым совместно с ■ П. Кирязовым достаточных условий независимой суставной управляемости.

В соответствии с вытекающей из принципа максимума Понрягина оптимальной структурой управления для задачи быстродействия (соотношения 1-63 синтезируется субоптимальное управление роботом PAII-M1 с обратной связью по скорости (73. нижний индекс звена - i = 1.....4 опущен для упрощения записи

73 vCt3 =

v+ = v~ + as, q < qi- pq*, v+ < v*", s > 0

v"ax , q < qi- pq*, v+ > v»", s > 0

i л , Л ^

V = a(2pq - гЗ, q = q* - pcf, r€t0,2pq ],

где:

s(t3

t - t° при t e t t°,t 3 t - t при t > t , r(t3 = t - t при t 6 [ t 3,

v" = 0 при 1 с [ ),

коэффициент а определяет выбранную скорость наращивания (уменьшения) управляющего сигнала, обеспечивающего плавный безударный разгон и торможение самотормозящихся приводов, р =

аС2Ла)-1, 1° - начальный момент времени, я = яСи,я = ¿[(О и 1 : ЯСО = с}' - рСяСиУ - момент очередного переключения управления от у* на V при попадании фазовой точки двигающегося звена

манипулятора на фазовую траекторию C.q = - ря*) линейной системы (4) Ссг = 0) в режиме самоторможения, а\ : Ч > I и qCi) < -р(я(£))г -момент очередного переключения от V- на у+.

На рис. 8. показано примерное движение звена манипулятора в фазовом пространстве.

р

1 Г я

рис. 5.

На первом участке движения я°Р осуществляется разгон двигателя под линейно наращивающимся от нуля до управлением у+. Участку РА соответствует движение с максимальным управлением Vй" до попадания фазовой точки на кривую я = *• ря* С фазовая траектория линейной системы С4) в режиме сомоторможения с линейно убывающим управлением v" - пунктирная линия на рис. 5.). В точке А произходит переключение управления с $ на 9 . Движение в режиме самоторможения С с = 0) продолжится по Адг до точки В (II АВ 112: 0), где из-за влияния остальных звеньев манипулятора нарушается условие (?) и с становится равным 1. Движение продолжится по ВС до переключения" управления на V* на основании (7). Смена управления обеспечит попадание фазовой точки на кривую . Далее движение звена под управлением (7) осуществится по какой-то ломанной кривой, подобной АВСЮ до попадания в окрестность точки яГ - остановки привода.

8) v'Ct) =

пах

А А

Управление С 7) выдвигает повышенные требования к роботу -наличие обратной связи по скорости, высокую разрешающую способность датчиков, соответствующую вычислительную мощность СУ, отсутствие люфтов в приводах, точную идентификацию параметров приводов.

Так как эти условия не были выполннены на макете робота PAII-M1, в третьем параграфе предлагается алгоритм самообучения для реиения поставленной задачи быстродействия.

Для манипулятора PAII-M1 предлагается субоптимальное управление в виде

индекс i опускается v+ = cxs , q < q , es < v™"*

v+ = ymax q < q , «s >

v" = v+- ar, q > q , ar < v"1"

v" = 0 , q > q*,

где sCt) = t - t°, te[t° ,t) , rCt) = t - t, tett,tf ] и t : qCt) = q - момент переключения.

Управление (8) позволяет свести бесконечномерную задачу быстродействия к конечномерной задаче вычисления четырех Спо одной для кагдого звена) точек q, переключения с tf' на V , обеспечивающих позиционирование в qf.

Предлагаемый алгоритм реализует метод "срельбы" для решения краевой задачи С1-7) при управлением С 8) на основе половинного деления ошибки позиционирования при выполнении "пробных" движений. Он содержит следующие пункты:

Алгоритм А1+"

0. Задаются - m =.0, точность позиционирования е, начальное переключение cf = Cef - <f ), флахок позиционирования звена - f = 0 и флагок направления движения - q+=l. Управление v = v+ из С8).

1. Вход в процедуру для рассматриваемого звена.

ii. Выполняется движение звена под управлением v.

Iii. Если q > q™ , то y = v", а если нет - f=0 и переход

к Cviii.).

• л

iv. Если v = 0 Cq=0), определяется FCcf'), f=l, а если

нет - переход к СVI11.3.

у. Если я+=-1, то выполняется переход к СуИ.). у1. Проверяется условие ГСс^) < с/ -е. Если оно выполняется - определяется следующая точка переключения +

Сч*- ГСя")) и выполняется переход к СуШ.).

уП. Если РСс}11) 5 ^ + с, то ^ =2, а если нет, <?=-!, определяется следующая точка переключения = ^ + С 4 ~

уШ. Переход к выполнению А!-*" для следующего звена.

Описанный алгоритм является (^идентификационным адаптивным алгоритмом самообучения для решения задачи быстродействия методом "стрельбы" при полностью неизвестных параметрах уравнений динамики С1).

Для решения проблемы точности позиционирования на основе идентификационного подхода синтезируется алгоритм для определения минимальных управляющих сигналов, реализующих ползучие скорости для позиционирования при наличии люфтов в передачах.

Предлагаемый алгоритм предполагает управление в виде:

у = <1 = 0 , < у"ах, б 2 О О ,4*0

9) уСБ) =

при движении в положительном направление и

У = -ГБ, 4 = 0 , ув < у»ах ,5—0

о ,4*0

10), уСБ) =

при движении в отрицательном направление, где у -коэффициент усиления управляющего сигнала, реализуемый цифровой системой управления РАН-М1.

Предлагаемый алгоритм В1 точного позиционирования содержит следующие пункты:

Алгоритм В1

о. Задаются - т=0, у°=0 для т=0,1...М - значение управляющего сигнала в моменты переключений С9-10), точность позиционирования.с, размер области ползучей скорости 6. ут1пС<5)=0, ут1п(с+)=0, \л1п(.е")=0 есть искомые минимальные управляющие сигналы при ц <<(- б, q € [<{ - б,<{ ] и я € 61

соответственно. Управление у(б) определяется (9).

1. Если 'ц=0, выполняется движение звена с управлением

у(Б)=У.

• Л # Л

П. Если то V" =у (управление в момент

переключения), т=т+1, уСбЭнО.

III. Если уСз)=0 и -6 и ^1пС<5)=0, тР1п С<5)=тахС\7 3,

1

1е[0,т-1], т=0 и выполняется переход к С1.Э.

iv. Если у(5)=0 и и у™1пСе+)=0, ^"Се^шахСу1 ),

1б[0,т-1], т=0 и выполняется переход к (л.).

у. Если уСэЗО и +6, уСиЗнСЮ), т=0 и выполняется переход к С1,).

- Л Л

VI. Если у(5)=0 и и V-1 <0. V" Се" )=пипС\^ ),

1

1€[0,т-1] и выполняется переход к СуШ.). уН. Переход к С1.)

уШ. узО, т=0 --выход С выполнение В для следующего

звена).

На основе результатов выполнения этих алгоритмов синтезировано субоптимальное управление роботом РАП-М1. Показана алгоритмическая организация программного обеспечения РАП-М1.

В третьей главе синтезируется алгоритм построения тестовых движений для идентификации параметров электромеханической модели манипуляторов, сконструированных на базе ротационных кинематических пар.

В первом параграфе делается обзор методов идентификации массинерционных параметров звеньев манипуляторов.

Во втором параграфе на основе электромеханической модели манипулятора с ротационными кинематическими парами и электроприводами - двигателями постояного тока,- синтезируется схема тестовых движений и выводятся формулы для определения коэффициентов перед ускорениями, коэффициентов вязкого и сухого трения, гравитационных члеьов уравнениий динамики в заданной точке пространства обобщенных координат.

Электромеханическая модель манипулятора на основе уравнений Лагранжа II рода может быть представлена в виде: И) А*Ся)ч + ЬСя,я) д*Сч) = и,

А*Сд) = АСд) + 3 , I = сПадС 1^),

D = diagC Nfbj),

g*Cq) = gCq) + fo, fQ= С -ienq,^/^ )T,

u = С NjCJIJ )T,

i = 1,...n,

где n - число звеньев манипулятора Счисло степеней свободы), N -передаточное число редукторов, ct - коэффициенты

электромагнитного момента двигателей, / - величина тока на якоре двигателей, J - моменты инерции роторов , b - коэффициенты вязкого трения к / - коэффициенты сухого СКулонового) трения приводов.

Пусть в пространстве обобщенных координат Q с 0? задана конфигурация звеньев манипулятора q*= Cq*. ... ,q*)T.

Общий алгоритм идентификации базируется на трех типов экспериментов:

i. Статические эксперименты для определения направления действия сил тяжести в конфигурации q* С Алгоритм AID.

ii. Ускорительные движения звеньев по отдельности для идентификации коэффициентов а*4, di и д* С Алгоритм BII ).

iii. Ускорительные движения звеньев парами для идентификации коэффициентов а*. , i*j и определяемые этим способом коэффициенты ( Алгоритм cii ).

Статические эксперименты выполняются по схеме: Алгоритм All

i. Манипулятор позиционируется в q*.

ii. Для i звена С без ограничения общности можно принять начальное i=n) задается управляющее воздействие vi=v° +0^1, а, >0 - const., t>t? , где ^ - установленное при позиционировании напряжение. Остальные звенья сохраняют свою позицию.

iii. Измеряется двигательный момент и4(+) в первый момент времени, для которого cj *0 (первая качественно измеримая в зависимости от точности измерительной системы и существующих помех скорость, отличная от нуля).

iv. i звено снова позиционируется в Mq. и задается управление vi = v° - c^t.

• v. Аналогичным, как в (iii.), способом измеряется ui С для обратного направления движения.

vi. Определяется направление действия момента

гравитационных сил:

Л Г и (-), |u C-D|<|UlC+)|

signCg. ) = si gnCu ), где u = <

1 1 1 lujC+э. I^COKI^C-)!

Если |Uj C+) ISIUj (-) то gsSO для конфигурации q* ("особая" конфигурация).

vii. Описанная процедура (i.-vi.) выполняется поочередно для всех остальных звеньев.

Нужно отметить, что в результате выполнения алгоритма All получаются только качественные оценки (направления д.).

Результаты выполнения Алгоритма All позволяет сформулировать следующее правило (Правило Р) для выполнения всех типов тестовых движений (Алгоритм BII и Алгоритм CII) в целях получения корректных и более значимых величин измеряемых параметров qi и ut.

Правило Р

■ i. Пусть начальная точка.тестового движения i звена q° * q*. Она выбирается так, чтобы движение от q° к q* выполнялось в направление, протовоположное направлению действия момента гравитационных сил gi. Если g4S0 ((f - "особая" конфигурация), положение q° можно выбрать с произвольной стороны q*.

ii. Расстояние |q°-q*| выбирается так, чтобы из измеряемой во время движения величины qt (t,) можно было бы получить путем численного дифференцирования корректные результаты для 'д и

V

iii. Звено i позиционируется в q° (остальные звенья сохраняют свою конфигурацию q*, j^i).

iv. Выполняется ускорительное движение 1 звена в направление к q* под управлением VL =v° +at . si gnCa. )=-si gn(g.), t>t°, t° - начальный момент движения.

v. Во время движения измеряются q± Ct) r ut(t) и определяется момент времени t*: q (t*) =cf*, после чего выполняется плавная остановка звена.

Предлагаемое правило Р для выполнения тестовых движений позволяет провести обработку экспериментальных данных в "off-line" режиме путем цикловой организацией сохранения измеряемых и в соответствующих масивах памяти микропроцессорного контроллера системы прямого цифрового управления.

В целях упрощения записи вводятся следующие обозначения:

аи = aijcti1+I

- ,* r„* .....

- aiJ((I14, .....Ф- "J-

«1 - g^q, .••

=g^q^•• .....Ф-

*iCVV - Лл* •4,..........Ф'

% = qjCt*), = q^t*), и* = UjCt"), t*: q* = qCt"), где к - очередной номер выполняемого тестового движения.

Согласно введеных выше обозначений, уравнение движения звена i по правилу Р, при фиксированных положениях остальных звеньев Cq=q*, , имеет вид:

123 + dtq. + g.Cq.) = ut.

После выполнения алгоритма All для идентификации коэффициентов cij , d4 и g. в заданной конфигурации fl предлагается следующий алгоритм ускорительных движений звеньев по отдельности:

Алгоритм BII

i. Манипулятор позиционируется в точке q*.

ii. Звено 1 Сначальное i=n) выполняет тестовое движение к Сначальное к=1) по правилу Р.

iii. В результате выполнения движения получаются*^ , & t *

и и* в моменте прохождения звена через точку q".

iv. Из С12) получается уравнение:

13) + d.^ + в1 = tif для искомых коэффициентов с^ 4, dt и .

v. Выполнение М тестовых движений (t£3) при различных управлениях v* согласно правилу Р позволяет получить систему из М линейных уравниний С13), k = 1.....М, для трех неизвестних -

aii ' di и V

vl. Полученная система имеет вид:

14) W(q,q)p = и,

где WCq.q) = [ , , 1 ] - МхЗ матрица, р = Саи , d4, г()т i ц = ( )т, к = 1,... ,М . Если Rank W=3£M, то из С14) определяются atl, d1, и gi, например, стандартным МНК, либо его расширениями.

VI1. Алгоритм С1.-у1.) выполняется для каждого звена. Из СИЗ, для согласно введеных обозначений, получаются

уравнения одновременных движений двух звеньев, остальные звенья

сохраняет свои координаты ч*,

+ + + ^ +

+ + = и1

- 6'

15)

а (а )а + а сг - 6 а + с1 а и ^ Ч1 ЛЛ) ич1 .¡Л!

После выполнения алгоритма ВЦ предлагается следующий алгоритм для

«1 „ «1 .............. ....................г- _ _*-.

идентификации ^ }, I

и в заданной конфигурации ч Ся = ч, Э: Алгоритм СИ

I. Манипулятор позиционируется в точке ч*.

II. Звено j (начальное ]=п) выполняет тестовое движение к (начальное к=1) по правилу Р. Одновременно с ним звено 1 (К^р выполняет ускорительное движение в направлении, противоположном направлению момента гравитационных сил д (см. АН), под управлением у (подобном у), обеспечивающем при

прохождении J звена через q

У

Ш. В результате выполнения движений получаются <?,;

, и* и и* в момент Ч, (*•*) = Ч*-1у. Система уравнений (15) принимает вид:

16)

аи*5 +

Ч* + + 8 (ак) = и* - а .<£ - с1, р

М ]i 1 1 1 1 ни

- --

где все члены, справа.от знаков ра2~«ства, известные (измеренные, либо полученные из алгоритма ВП ).

у. Выполнение М последовательных тестовых движений для обоих звеньев (М^З) позволяет получить систему из 2М линейных уравнений для пяти неизвестных, которые можно определить способом, аналогичным предложенному в алгоритме ВП.у1.

у1. Алгоритм выполняется для всех комбинаций из двух звеньев манипулятора.

Согласно выбранной стратегии (Правило Р), при помощи минимум Зп "ускорительных" движений типа "от точки к точке", обеспечивающих прохождение через заданные точки с^, 1=1,...,п,

алгоритм BII позволяет идентификацию коэффициентов , d и свободных членов g..

Изпользуя полученные на предыдущем этапе а1 и d , алгоритм СИ позволяет при помоши минимум пСп-1) "ускорительных" тестовых движений определить коэффициенты с^ , i<j. В результате получаются и пСп-1) из всех -g—n(rf -1) неизвестных коэффициентов перед квадратами скоростей в уравнениях динамики.

По сравнению с предлагаемыми в литературе подобными схемами идентификации, эта схема обладает следующими характеристическими особеностями:

i.Предлагаемая схема является "общей", так как применима для "произвольной" кинематической структуры манипуляторов с ротационными парами.

ii. Из-за отсуствия тестовых движений с постоянной скоростью, предлагаемые алгоритмы идентификации осуществляются без регуляторов скоростей на основе системы прямого цифрового управления разомкнутой цепью в каналах управления тестируемых звеньев Copen-loop control), что способствует уменьшения влияния помех на измеряемые величины обобщенных координат Cq4), двигательных моментов Cu¿) и вычисляемых диференцированием скоростей и ускорений С q. , qx.).

iii. Синтез алгоритмов и вывод формул для определения искомых коэффициентов не основываются на предположениях о малости ускорений, малости скоростей и перемещений.

В третьем параграфе рассмотрены два частных случая для манипулятора с тремя ротационными кинематическими парами:

i. В первом случае предполагается малость развиваемых обобщенных скоростей и отбрасываются члены СЬ ) в уравнениях динамики, содержащие их квадраты, что упрощает идентификационную процедуру и позволяет получить программн управление по заданной траектории q*Ct).

ii. Во втором случае рассматривается манипулятор, "работающий" в горизонтальной плоскости, что упрощает идентификацию параметров из-за отсутствия гравитационных членов Cgt) в уравнениях динамики, однако требует иную стратегию проведения корректных экспериментов, так как в этом случае алгоритм AII не имеет смысла.

Полученные результаты для конечного множества различных конфигураций $ из пространства 0 являются базой данных для вычисления массинерционных динамических параметров звеньев манипулятора - моменты тензоров инерции, массы звеньев, координаты центров масс и их линейных комбинаций, определяющих динамику конкретной кинематической структуры.

Реализация предлагаемых алгоритмов на микропроцессорных системах прямого цифрового управления манипуляторами позволяет полностью автоматизировать процесс идентификации коэффициентов уравнений динамики.

ВЫВОДЫ

1. Разработано программное обеспечение специализированного робототехнического комплекса для автоматизации сборочно-прессовых операций, являющееся оболочкой операционной системы ¡¿икропроцессорного контроллера. В состав программного обеспечения "»ходит специализированный проблемно-ориентированный язык чнтерпретатор команд. обеспечивающий обучение, перепрограммирование, автоматическую работу, наладку и настройку исполнительных механизмов. В состав команд входят как исполнительные команды покоординатных движений всех механизмов, так и команды более высокого задачно-ориентированного уровня для гылолнения отдельных технологических операций.

2. Предложен алгоритм и создан программный комплекс для группового управления специализированным робототехническим комплексом для автоматизации сборочно-прессовых операций, обеспечивавший последовательно-децентрализованную дисциплину :бслуглвания программных модулей выполнения покоординатных 1зижений цикловых манипуляторов, транспортера и вспомогательного Jбopyдoвaния комплекса. В результате применения группового подхода /правления, время выполнения технологического цикла сокращается на ?0И по сравнению со временем при класическом управлении комплексом ю общей циклограмме.

Для манипулятора с самотормозящимися приводами при движениях "от точки к точке" разработан адаптивный алгоритм и лпограмма, реализующие субоптимальное по "быстродействию" управление, включающее поиск в режиме самообучения значений

обобщения координат точек переключения управления в фазовом пространстве и минимальных управляющих сигналов, реализирующкх "ползучие" скорости для точного позиционирования при наличии люфтов в передачах.

Исследуются уравнения динамики для манипулятора с ротационными кинематическими парами и электроприводами постояного тока. Разработан и исследован алгоритм для идентификации коэффициентов перед ускорениями, коэффициентов вязкого и сухого трения и гравитационных членов в уравненииях динамики.

Основные результаты дисертации опубликованы в работах:

1. Славков В. , К. Делчев , С. Боев, Синтез организации мевдуоперационного транспорта автоматизированной сборочной ячейки., В сб. Доклады первой и второй международные молодежные школы "Применение биомеханики и бионики в робототехнике"., БАН, 1982- 1986.

2. Делчев К, Е. Маноах, Некоторые аспекты программного обеспечения автоматизированного сборочно пресового комплекса. , В сб. Доклады первой и второй международные молодежные школы "Причинение биомеханики и бионики в робототехнике"., БАН, 1982- 1986.

3. Дюкенджиев Е. , С. Ранчев, К. Делчев, Някои аспекта на математичното осигуряване на ГАПС-11М2А. Пятый нацинальный конгрес по теоретической и прикладной механике, Варна, 1985.

4. Делчев К.К., Г.И. Стоилов, Система адаптивного управления антропоморфическим манипулятором., Int. Conf. on Control Problems of Industrial Robots "FOBCON 3", Варна, 1933.

Делчев Камен Кръстев * Алгоритмическое и программное обеспечение систем управления робототехнических комплексов Специальность : 05.13.1 1 — Математическое и программное обео печение вычислительных комплексов и систем.

Подписано в печать 31.05.94г. Заказ № 8 7. Тираж 80 экз. Ои.б-'г-тано на ротапринтах в Институте прикладной математик.и АН