автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Исследование механики транспортных роботов, предназначенных для перемещения по техногенным средам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГУАНЬ ЦЗЯНЬ

1

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИКИ ТРАНСПОРТНЫХ РОБОТОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПО ТЕХНОГЕННЫМ СРЕДАМ

Специальность 05. 02. 05 - Роботы, манипуляторы и

робототехнические системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор И.Б. Челпанов

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................... 4

1. РАЗВЕРНУТЫЙ ОБЗОР ПО ТРАНСПОРТНЫМ РОБОТАМ

И НОВЫЕ ЗАДАЧИ.....................10

1.1. Технологические основные и вспомогательные задачи, которые могут выполнять транспортные роботы.....10

1.2. Свойства среды, где должен работать робот.......14

1.3. Обзор литературы по транспортным роботам.......31

1.4. Классификация техногенных сред, вид и

расположение опорных элементов . ...........43

1.5. Общая формулировка теоретических задач для транспортных роботов, предназначенных для перемещения по техногенным средам..........45

1.6. Выводы........................55

2.ГЕОМЕТРИЯ И КИНЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ РОБОТОВ, ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ПО ТЕХНОГЕННЫМ СРЕДАМ .... 57

2.1. Основные принципы удерживания транспортных

роботов на опорных элементах..............57

2.2. Сколько конечностей нужно транспортному роботу

для удерживания на цилиндрической поверхности .... 65

2.3. Расчет длины шага для транспортных роботов, перемещающихся по цилиндрической поверхности .... 68

2.4. Повороты робота на цилиндрической поверхности .... 76

2.5. Способы перемещения корпуса робота при перешагивании.....................80

2.6. Выводы ........................84

Стр.

3.РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ РОБОТОВ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.....86

3.1. Методика определения предельных состояний транспортных роботов.................86

3.2. Расчет несущей способности транспортных роботов

на цилиндрической поверхности.............92

3.3. Рекомендации по способу управления с переменой функций активных и пассивных конечностей.......101

3.4. Преодоление транспортным роботом

типового препятствия..................109

3.5. Задачи динамики транспортных роботов, перемещающихся по техногенным средам........116

3.6. Выводы ........................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........124

ВВЕДЕНИЕ

В течение длительного периода научная проблематика в робототехнике охватывала преимущественно задачи манипулирования. Однако последнее десятилетие характеризуется возрастанием интереса к транспортным роботам (ТР) как в России, так и в других странах. При этом явно наметилась тенденция расширения возможностей при большом разнообразии свойств сред, в которых необходимо обеспечить перемещение. Если раньше основное внимание уделялось задачам перемещения по плоской горизонтальной или слабопересеченной поверхности, то теперь рядом коллективов ученых рассматриваются задачи создания роботов, способных двигаться по вертикальным стенкам, лестницам, внутри труб и т. д. К настоящему времени имеются предпосылки для перехода от отдельных частных задач к обобщениям на основе суммарных представлениях о свойствах искусственных, техногенных сред, в число которых входят такие объекты, как строительные конструкции (фермы, опоры, решетки), мачты, опоры линий электропередач, трубы и трубопроводы и т. д. Роботы, предназначенные для перемещения по элементам подобных сред, должны иметь достаточное количество конечностей ("рук" или "ног") с тем, чтобы иметь требуемые запасы несущей способности на всех фазах перемещения. При этом способы взаимодействия конечностей с элементами среды могут быть различными: конечности могут просто опираться на поверхности, или могут захватывать элементы специальными механическими захватными устройствами, возможно также использование вакуумных присосок или электромагнитов. Специфические трудности возникают при преодолении роботами препятствий, в роли которых часто выступают соединительные элементы конструкций. Перспективами широкого применения подобных ТР при

отсутствии обобщающих работ в этой области определяется актуальность темы диссертации.

Цель диссертационной работы - на основе систематизации сведений о свойствах и характеристиках тех элементов техногенных сред, которые можно использовать для опоры при перемещениях ТР, предложить конструктивные варианты взаимодействия с ними конечностей, разработать методики программирования движений путем перестановки конечностей на гладких участках и при преодолении препятствий, расчетного определения длины шага при перемещениях, оценивания запасов несущей способности на всех фазах движения.

В диссертационной работе используется формализованное описание геометрии опорных поверхностей и элементов, используются методы анализа многозвенных механизмов с целью определения предельных положений и максимальных длин шагов, производится анализ уравнений статического равновесия робота при различных способах взаимодействия конечностей робота с опорными элементами, осуществляется исследование предельных состояний равновесия. Основные задачи исследования в диссертации:

• формализация требований к ТР в зависимости от свойств, характеристик и параметров техногенных сред и их элементов;

• определение основных принципов удерживания роботов со многими конечностями на опорных элементах сред;

• программирование перемещений робота по типовым элементам;

• определение предельных значений длин шагов;

• расчет параметров несущей способности роботов на последовательных фазах перемещений;

• разработка предложений по управлению конечностями в процессе движения по однородным участкам и при преодолении препятствий;

• проработка компоновочных решений и формирование визуальных изображений роботов рассматриваемого типа, включая подвижную анимацию.

Научная новизна диссертационной работы — систематизированы сведения о типовых техногенных средах, по которым должен перемещаться робот; выделены и определены основные геометрические факторы; определяющие способы удерживания робота на элементах техногенных сред; сформулированы два основных принципа построения роботов со многими конечностями (опора концами последних звеньев конечностей и захватывание элементов схватами, находящимися на последних звеньях конечностей); анализ возможностей использования этих способов при перемещениях в различных средах; разработка предложений по программированию движений по однородным участкам и при преодолении препятствий; расчет несущей способности на всех фазах движения; наглядное представление процесса перемещения робота в виде анимационного видеофильма.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что реализация сформулированных в диссертации предложений по построению ТР, способных в автоматических режимах перемещаться по элементам различных конструкций, позволит автоматизировать операции осмотра их состояния, установки различных датчиков, контроля установленной аппаратуры, ее замены, прокладки кабелей и трубопроводов, очистки, окраски и нанесения покрытий и т.п.

В первой главе работы дается аналитический обзор по ТР. Выделяются шагающие роботы (двуногие и многоногие), их принципиальным достоинством является повышенная проходимость и возможность преодоления препятствий различного типа. Ряд литературных источников посвящен глубокому анализу механики шагающих машин. В самые последние годы наметилась тенденция значительного ужесточения требований к ТР. Отмечается, что в литературе практи-

чески отсутствует систематизация довольно большого числа конкретных задач, которые должны решать ТР. В первую очередь, обращается внимание на то, что многообразны объекты, по которым нужно перемещаться. В диссертации эти объекты в целом квалифицируются как техногенные среды, предложена их классификация, охарактеризованы качественные особенности элементов сред, на которые можно опираться или за которые можно цепляться конечностями робота. Далее, нужно учитывать, что многообразны конкретные технические задачи: осмотр и инспекция состояния конструкций и сооружений, прокладка кабелей и трубопроводов, расстановка приборов и их снятие, очистка поверхностей, нанесение покрытий и надписей, местная механообработка и т. д. Также в первой главе дана их классификация и общая формулировка теоретических задач для ТР, предназначенных для перемещения по техногенным средам.

Во второй главе рассматриваются вопросы исследования геометрии и кинематики роботов со многими конечностями, перемещающихся по типовым элементам. Сформулировано два альтернативных принципа построения шасси робота со многими конечностями. Первый принцип заключается в том, что каждая конечность оканчивается простым опорным элементом, пятой, а шасси робота в целом аналогично кисти руки или многопальцевому механическому схвату. Автором показано, что для надежного удерживания на поверхности цилиндра достаточно иметь шесть конечностей, при условии, что в процессе передвижения может отрываться от поверхности только одна конечность. Второй принцип заключается в том, что каждая конечность заканчивается схватом, число конечностей должно быть не менее двух. В диссертации рассматривается исключительно реализация первого принципа применительно к задаче линейного перемещения по цилиндрической поверхности круглой трубы. Автором получены расчетные формулы для предельного значения длины шага

в зависимости от геометрических параметров для продольного перемещения вдоль по трубе, по кругу в одном сечении, а также по винтовой линии. Даны рекомендации по способам перемещения корпуса робота при перешагивании.

Третья глава посвящена разработке методики и проведению расчетов несущей способности робота с шестью конечностями, перемещающегося по круглой трубе. Общая методика подобных расчетов основывается на анализе уравнений статического равновесия, аналогично тому, как это делается в теории захватных устройств, разработанной И.Б. Челпановым и С.Н. Колпашниковым. Автором предложен определенный принцип управления конечностями, при котором обеспечивается положительность нормальных реакций во всех точках контакта. Далее составляется шесть уравнений равновесия, и рассматриваются состояния предельного равновесия при действии приложенных сил. Наиболее полной характеристикой несущей способности является область жесткого фиксирования в шестимерном пространстве составляющих силы Б и момента М. В диссертации получены уравнения указанных границ, которые зависят от геометрических факторов. Рассмотрена специфика преодоления препятствий, которыми чаще всего являются фланцевые соединения, определены предельно допустимые размеры препятствий, получены рекомендации по стратегии преодоления препятствий. В третьей главе также рассмотрены задачи динамики ТР, перечислены и охарактеризованы типовые динамические эффекты.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по проведенным исследованиям.

Результаты настоящей работы докладывались на научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (г. Санкт-Петербург, 24 - 26 марта 1997 г.); на международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и

управления в машиностроении" (г. Саратов, сентябрь - октябрь 1997 г.); на молодежной научной конференции "Современные научные школы: перспективы развития" (в рамках 26-ой Недели науки СПбГТУ, г. Санкт-Петербург, 1998 г.); на научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах" (г. Санкт-Петербург, 25 - 26 июня 1998 г.) и на семинарах кафедры "Автоматы" СПбГТУ. Основные результаты диссертации представлены в шести публикациях.

В процессе работы над диссертацией автор пользовался научными консультациями доктора технических наук, профессора Саратовского государственного технического университета A.B. Кочеткова.

1. РАЗВЕРНУТЫЙ ОБЗОР ПО ТРАНСПОРТНЫМ РОБОТАМ И НОВЫЕ ЗАДАЧИ

Транспортными или локомоционными обычно называют роботы, которые перемещают объекты преимущественно за счет перемещений роботов в целом, а не за счет относительного перемещения звеньев их механизмов.

1.1. Технологические основные и вспомогательные задачи, которые могут выполнять транспортные роботы

Транспортные роботы (ТР) разделяют на напольные и подвесные. Типаж ТР достаточно разнообразен. Выделяются роботы, оснащенные манипулятором или специальным захватным устройством, с помощью которых переносится груз, роботы, буксирующие несколько неприводных транспортных средств, которые, в свою очередь, также могут быть оснащены манипуляторами или захватными устройствами, роботы, перевозящие грузы без их захватывания (например, гру-зонесущие платформы).

По функциональным возможностям ТР подразделяют на роботы, обеспечивающие только перемещение грузов, и на роботы, выполняющие после этого некоторые производственные операции (обслуживание технологического оборудования, сортировку деталей с определением размеров и массы и т.п.).

По способу управления ТР разделяют на четыре группы:

— с ручным управлением (в этом случае целеуказание, выбор траекторий и параметров движения осуществляются в реальном времени оператором, а система управления ТР выполняет команды, обеспечивает реализацию и поддержание заданных параметров движения);

— с полностью автономной системой управления, реализующей весь комплекс операций автоматического управления ТР (в том числе целеуказание и выбор траекторий и параметров движения);

— с внешним управлением, при котором все параметры движения (скорость, путь, а также координаты точки остановки и т.п.) задаются сигналами, приходящими в устройство управления ТР извне. В последнем случае передача сигналов осуществляется или по кабелю или бесконтактным способом средствами телеметрии; устройство управления, размещенное на ТР, расшифровывает и преобразует приходящие сигналы и вырабатывает управляющие воздействия и команды на отдельные приводы исполнительных механизмов;

— с комбинированной системой управления, обеспечивающей возможность реализации выбранных законов движения при разных способах задания программы.

По степени приспособляемости к внешним условиям ТР разделяют на жестко программируемые и адаптивные. Последние оснащаются развитой информационной системой, обеспечивающей приспособляемость к изменяющимся условиям работы, безопасность и безаварийность.

Подвесные ТР применяют для внутрицехового, межпозиционного и межстаночного транспортирования.

Широко распространенные монорельсовые конвейерные системы отличаются высокой универсальностью. Они обычно свободно размещаются над оборудованием, занимая минимальные производственные площади. Их недостатком является необходимость применения дополнительных подъемных устройств между уровнями транспортирования и рабочими позициями в цехе, а также необходимость средств установки-снятия и ориентации перемещаемых заготовок и деталей (грузов). Второй недостаток - постоянство, неизменность трасс перемещения грузов, обусловленное однажды смонтированны-

ми направляющими (монорельсом). Эти системы могут быть трех типов: с одиночными приводными грузонесущими каретками; с приводными каретками, буксирующими группы транспортных неприводных грузонесущих тележек; комбинированные системы.

Подвесные ТР тельферного типа позволяют исключить необходимость применения вспомогательных подъемно-опускающих устройств. Они строятся на базе тельферных тележек, перемещающихся по подвесному монорельсу и снабженных специальным подъемным механизмом (вертикально перемещающейся рукой) с захватным устройством. Такие ТР позволяют автоматически захватывать тару с деталями или отдельное изделие с рабочих позиций, находящихся под трассой тележки, транспортировать их и устанавливать на другие позиции (в том числе на столы станков) по командам, получаемым от специальной системы адресования.

Транспортные подвесные роботы мостового типа используют для автоматизации транспортных и складских работ, а также для установки-снятия деталей, инструмента и оснастки при обслуживании основного технологического оборудования.

Наземные ТР в основном отличаются по типу используемого шасси или двигателя, который может быть гусеничным, колесным, шагающие, или комбинированным.

Гусеничные ТР применяются для научных исследований и технической разведки в условиях труднопроходимой местности и горных разработок, а также для выполнения производственных операций (например, горнопроходческие робототехнические комплексы).

Колесные ТР находят применение преимущественно на промышленных предприят�