автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Кинематический синтез задающих устройств манипуляторов, согласующихся с движениями руки оператора

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1. Обзор исследований

1.2. Цель и постановка задач.

Глава 2. ЗОНА ОБСЛУЖИВАНИЯ РУКИ ОПЕРАТОРА И КИНЕМАТИ

ЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МНОГОСТЕПЕННЫХ ЗАДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ МАНИПУЛЯТОРОВ

2.1. Определение степени совпадения зон обслуживания

2.2. Кинематические схемы руки и задающих устройств манипуляторов для решения прямой задачи кинематики

2.3. Синтез многостепенных задающих устройств манипуляторов.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ РУКИ

ОПЕРАТОРА, ДВИЖУЩЕЙСЯ СОВМЕСТНО С РУКОЯТКОЙ УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Решение обратной задачи кинематики для кинематической схемы руки оператора

3.2. Определение относительных предельных положений звеньев руки

3.3. Управление рукояткой и коэффициент угловой подвижности для рукояток управления

ЗЛ. Форма рукоятки и подвижность системы рука - рукоятка.

Глава ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПОЛУЧЕННЫХ ' РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАВИСИМОСТЕЙ

4.1. Экспериментальное определение величин угловых перемещений руки оператора совместно с рукояткой управления

4.2. Определение погрешности расчета степени совпадения зон обслуживания

В принятых ХХУ1 съездом КПСС "Основных направлениях развития СССР на 1981 - 1985 г.г. и на период до 1990 г." отмечается необходимость значительного улучшения качества выпускаемых машин и оборудования и увеличение роста производительности труда на различных участках промышленного производства. Выполнение этой задачи связано с реализацией комплекса мероприятий, направленных на механизацию и автоматизацию производственных операций, технологических процессов. Быстрый рост объема работ, проводимых в экстремальных средах, и проблемы механизации погрузо-разгрузочных работ обусловили появление и распространение манипуляторов, в управлении которыми непрерывное участие принимает оператор. Однако производительность труда оператора при управлении манипулятором в настоящее время низка. Это связано с несколькими факторами, одним из которых является несогласованность некоторых кинематических характеристик движений руки оператора и задающего устройства. Несогласованность кинематических характеристик приводит к невозможности использования всего богатства движений руки, нарушению двигательных стереотипов оператора и его быстрой утомляемости. Актуальность задачи требует создания методики выбора кинематических параметров задающих устройств и определение оптимальных схем механизмов.

В исследованиях, которые необходимо провести с целью решения задачи согласования механических характеристик руки оператора и задающего устройства, существует ряд совершенно не разработанных вопросов. В немногих публикациях, посвященных проблеме согласования движений, в части согласования кинематических характеристик руки оператора и задающего устройства намечены общие подходы к созданию методики выбора параметров механизма манипулятора, управляемого оператором, установлены основные понятия.

Настоящая работа посвящена теоретическому исследованию вопросов согласования движений руки оператора и задающего устройства манипулятора. В работе произведен анализ кинематической схемы руки оператора, решены вопросы, позволяющие производить моделирование на ЭВМ движения руки совместно с рукояткой задающего устройства, предложены критерии согласования для случая управления посредством многостепенного задающего устройства и трехподвижной рукоятки управления. На основании расчетов произведен выбор кинематических параметров задающих устройств манипуляторов, предложены рекомендации по выбору параметров и координат точки установки рукояток управления. Синтез задающих устройств манипуляторов произведен с учетом различия в антропометрических данных оператора и с учетом возможных перемещений оператора в процессе выполнения технологических операций.

Предложенные методы синтеза позволяют научно обосновать выбор кинематических параметров задающих устройств манипуляторов, согласующихся с движениями руки оператора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ, позволяющий производить синтез многостепенных задающих устройств манипуляторов с учетом перемещений оператора в процессе выполнения им технологических операций и с учетом различия в антропометрических данных операторов.

2. Равномерный просмотр пространства обобщенных координат руки оператора показывает, что кинематические характеристики руки оператора различны в разных областях зоны обслуживания. Задающее устройство должно обеспечивать подвижность руки в тех областях , которое наиболее удобны для выполнения технологических операций.

3. Значительное влияние на эффективность работы системы оператор - манипулятор и на утомляемость оператора оказывает величина совместной зоны обслуживания руки оператора и многостепенного задающего устройства. Величина совместной зоны обслуживания зависит от выбранных кинематических параметров задающих устройств. Степень совпадения зоны обслуживания руки оператора и предложенных задающих устройств в 2-2,5 раза больше, чем у существующих конструкций при незначительном различии в габаритных размерах этих механизмов.

Для каждого оператора в зависимости от его антропометрических данных в пределах зоны обслуживания можно выделить объем, при установке в который центра сферического шарнира рукоятки управления достигаются максимальные угловые перемещения руки и управляемой ею рукоятки. Кроме того, в зоне обслуживания можно выделить объем, дающий высокие значения, максимумов угловых перемещений руки вместе с рукояткой независимо от антропометрических данных оператора.

5. Величины максимальных угловых перемещений руки совместно с рукояткой уменьшаются с увеличением длины рукоятки. Эти перемещения максимальны при длине рукоятки, равной нулю. При разработке конструкций рукояток их длину рекомендуется принимать в пределах от О до 100 мм.

1. Адамович H.B. Управляемость машин. - М.: Машиностроение, 1977. - 280с.

2. Алабян А.К. Экспериментальное исследование манипуляцион-ных роботов. В кн.: Управление робототехническими системами и их очуствление. М.: Наука, 1983, с.82-93.

3. Андреенко С.Н., Ворошилов М.С., Петров Б.А. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975, - 312с.

4. Аншин С.С. Исследование вопросов статики и статической устойчивости манипуляторов как пространственных механизмов со многими степенями свободы: Автореферат дис. на соиск. учен. степ, канд. тех. наук. М., 1981. - 19с.

5. Апштейн З.В., Великсон М.В., Воронцов Ф.С. Исследование кинематики и оценки степеней подвижности верхней конечности. -В кн.: Управление движениями. Л., 1970, с. 139-147.

6. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Роботы. Машиноведение, 1970, № 5, с. 3-II.

7. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е. Робототехника: современное состояние, проблемы. Вестник АН СССР, 1974, № 9, с.32-45.

8. Артоболевский И.И., Кобринский А.Е., Фролов К.В. Биомеханика рабочих процессов. Вестник АН СССР, 1977, № II, с.75-85.

9. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975. - 638с.

10. Афонин В.JI., Кулешов B.C., Ющенко A.C. Исследованиеи некоторые вопросы проектирования системы оператор манипулятор двустороннего действия. - В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. Л., 1974, с. 185-189.

11. Бармин Ю.И. Применение методов математического программирования к синтезу механизмов. Механика машин. М.: Наука,1975, вып. 47, с.55-59.

12. Беневоленская Н.П. Этюды по эргономике. Новосибирск: Наука, 1977. - 192с.

13. Березин И.С. Методы вычислений. М., i960. - 620с.

14. Биомеханические системы оператор гидравлический манипулятор / Ю.В. Илюхин, A.B. Кочетков, В.И. Лобачев, Л.Д.Нечаев.-Механика машин. М.: Наука, 1974, вып. 46, с.163-166.

15. Блох Г.А. Построение схем механизмов. Механика машин. М.: Наука, 1975, вып. 48, с.39-42.

16. Браверман Г.Б., Кобринский A.B., Стаценко В.В. Некоторые функциональные свойства системы "оператор-манипулятор" В кн.: Теория и принципы устройства роботов и манипуляторов. Тольятти,1976, с. 22-26.

17. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980. - 518с.

18. Великсон М.В. Основные элементы кинематики верхних конечностей. Тр. Рижского НИИ травматологии и ортопедии, 1975, вып. 13, с. 572-574.

19. Великсон М.В. Аналитическое исследование движений биокинематических цепей. В кн.: Некоторые вопросы механики роботов и биомеханики. М.: МГУ, 1978, с.123-136.

20. Виноградов И.Б. Кинематические параметры руки человека как элемента системы "оператор-манипулятор". Механика машин. М.: Наука, 1974, вып. 46, с.20-22.

21. Виноградов И.Б. Исследование некоторых кинематических свойств манипуляторов и руки человека оператора: Дис. . канд. техн. наук. - М., 1975, - 165с.

22. Воробьев Е.й. Аналитический метод синтеза пространственных кинематических цепей и его приложение к механизмам манипуляторов и автооперэторов. Механика машин. М.: Наука, 1974, вып. 43, с.3-7.

23. Воробьев Е.И. Некоторые вопросы анализа и синтеза автооператоров промышленных роботов. - Сборник научно-методических статей по ТММ. М.: Высшая школа, 1974, вып. 4. с. 35-44.

24. Воробь ев Е.й. Кинематический анализ пространственных механизмов манипуляторов методом матриц. Механика машин М.: Наука, 1971, вып. 27-28, с. 30-37.

25. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. М.: Мир, 1968.-517с.

26. Гастев А.К. Трудовые установки. М.: Экономика, 1973. - 343с.

27. Герц Е.В., Луцкий З.С. Выбор параметров двухпорпневого компрессорно-приводного пневматического механизма методом ЛП -поиска. Механика машин. М.; Наука, 1982, вып. 59, с.3-10.

28. Горский Е.Ф. Проектирование рабочего места оператора.- Механизация и автоматизация производства, 1982, № 7, с. 33-36.

29. Денисов С.М., Статников И.Н. Об использовании метода ПЛП-поиска в задачах проектирования с функциональными ограничениями. В кн.: Исследование динамики машин на ЭВМ. М.: Наука, 1980, с. 8-12.

30. Дольников Ю.И. Экспериментальные исследования движений в крупных суставах руки. Механика машин. М.: Наука, 1967, вып. 7-8, с. 76-83.

31. Жавнер В.Л., Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. -Л.: Машиностроение, 1975. 159с.

32. Закиров Г.Ш. Алгоритмический подход к решению класса задач синтеза механизмов. Механика машин. М.: Наука, 1981, с.115-121.

33. Зеленин Н.Б., Бедный Т.З. Эргономика на морском транспорте. М.: Транспорт, 1980, - 176с.

34. Зараковский Т.М., Королев Б.А., Медведев В»И., Шляер П.А. Введение в эргономику. М.: Советское радио, 1974 - 352 с.

35. Зэрх Я.М., Сергеев В.И., Статников И.А. Об одном способе определения существенных параметров в задачах оптимального проектирования машин. В кн.: Исследование задач машиноведения на ЭВМ. М.: Наука, 1977, с. 3-8.

36. Зациорский В.М., Аруин A.C., Селуенов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М.: Физкультура и спорт, 198I. - 144с.

37. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский А.М.; Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1977. - 248с.

38. Инженерная психология в применении к проектированию оборудования / Под ред. Б.Ф. Ломова, В.И. Петрова. М.: Машиностроение, 1971 . - 488с.

39. Исследование биотехнической системы управления копирующим манипулятором двустороннего действия / А.К.Алабян, В.Л. Афонин, B.C. Кулешов, A.C. Ющенко. В кн.: Управлениев пространстве. М.: Наука, 1976, с.249-254.

40. Исследование некоторых особенностей человека-опера-торэ как элемента биотехнической системы "оператор-манипулятор" / В.Л. Афонин, А.Н. Лакота, В.И. Лобачев, В.А. Моисеенков.

41. В кн.: Теория и устройство манипуляторов. М.: Наука, 1973, с. 5-8.

42. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.512с.

43. Карпович С.Е., Мгновенная степень подвижности манипулятора. Изв. ВУЗов. Машиностроение., 1981, № I, с. 55-58.

44. Кикин А.Б. Исследование восьмизвенного пространственного механизма, применяемого в качестве манипулятора. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1982, № 2, с.48-52.

45. Кобринский A.A., Кобринский Л.А. О мобильности руки человека. Доклады АН СССР, 1979, т. 245, № 5, с.1064-1067.

46. Кобринский A.A. К определению объема рабочего пространства манипуляционных систем. В кн.: Методы расчета задач машиностроения на вычислительных машинах. М.: Наука, 1978, с.24-30.

47. Кобринский A.A. К определению объема рабочего пространства манипуляционной системы. В кн.: Методы решения задач маши-" новедения на вычислительных машинах. М.: Наука, 1979, с.134-164.

48. Кобринский A.A. Алгоритм позиционирования и манипулирования для манипуляционных систем. В кн.: Исследование динамических систем на ЭВМ. М.: Наука, 1982, с. 59-64.

49. Кобринский A.A., Пурцеладзе Т.К. О сервисе пространственного манипулятора. В кн.: Исследование динамики машин на ЭВМ. М.: Наука, 1980, с. 8-12.

50. Кобринский А.Е., Стаценко В.В., Тывес Л.И. Оценка уровня мнемоничности копирующих манипуляторов при рассогласовании задающих и исполнительных органов. Машиноведение, 1975, К? 2, с.3-10.

51. Ковальчук А.К., Лобачев В.И., Горелов Л.В. Исследование оптимальных рабочих зон монтажных операций, выполняемых копирующим манипулятором. Автоматическое регулирование и управление. М., 1978, вып. II, с. 97-100.

52. Коренев Г.В. Введение в механику человека.-М.: Наука, 1977. 264с.

53. Корн Г., Корн К. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. - 832с.

54. Корнев А.П., Сахаров Б.Д., Сытин A.B. Аварии под водой. -Л.: Судостроение, 198I. 144с.

55. Красников В.Ф. Метод аналитической идентификации кинематических цепей. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1982, Щ 2,с.48-52.

56. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление мэнипуляционными роботами. М.: Наука, 1980. - 448с.

57. Кулешов В.С.,-Лакота H.A. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971. - 302с.

58. Кумар А., Уолдрен К. Рабочие пространства механических роботов. Конструирование и технология машиностроения, 1981,3, с.64-72.

59. Лакота H.A., Лобачев В.И. Некоторые принципы проектирования дистанционно-управляемых копирующих манипуляторов. -Механика машин. М.: Наука, 1971, вып. 27-28.

60. Лэпутин А.Н. К вопросу о классификации биокинематических пар и цепей человека. Тр. Рижского НИИ травматологии и ортопедии, 1975, вып. 13, с. 572-574.

61. Лапутин А.Н. О единой системе отсчета в исследовании фиксированных положений и сложных пространственных движений человека. Тр. Рижского НИИ травматологии и ортопедии, 1975, вып. 13, с. 568-572.

62. Липчин Т.Н. Методика обработки экспериментальных данных Пермь, 197I. - 23с.

63. Логунов М.М. Принципы устройства универсальных механических копирующих манипуляторов. Механика машин. М.: Наука, 1967, вып. 7-8, с.68-75.

64. Лукишов Г.И., Милосердии Ю.В. О влиянии кинематики манипуляторов на выбор геометрических параметров боксов и камер.-Механика машин. М.: Наука, 1971, вып. 27-28, с.119-127.

65. Лукишов Г.И., Милосердии Ю.В. Исследование некоторых пространственных характеристик манипуляторов. В кн.: Теория и устройство манипуляторов. М.: Наука, 1973, с. 5-8.

66. Малоун Т. Рукоятки управления манипуляторами. В кн.: Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы. М.: Мир., 1972, с. 226-242.

67. Матушкин H.H. Обработка результатов измерений и планирование эксперимента. Пермь, 1977. - 44с.

68. Манипуляторы / А.П. Белов. Д.А. Кульда, М.М. Логунов и др. М.: Атомиздат, 1978. - 135с.

69. Метод объемов и сервис манипуляторов / И.Б. Виноградов, А.Е. Кобринский, Ю.А. Степэненко, Л.Й.Тывес. Машиноведение, 1979, № 3, с. 17-19.

70. Метод экспериментального исследования биотехнических манипуляционных систем / А.К. Алабян, Е.Д. Горбацевич, В.С.Кулешов, A.C. Ющенко. В кн.: Робототехника. Каунасский политехнический институт, 1977, с. 23-28.

71. Некоторые принципы построения диетанционно-управляемых копирующих манипуляторов / А.Е.Бор-Рэменский, B.C. Кулешов, Н.А.Лакота, В.И.Лобачев. Механика машин. М.: Наука, 1967,вып. 7-8, с. 33-42.

72. Особенности кинематики манипуляторов и метод объемов / И.Б. Виноградов, А.Е. Кобринский, Ю.А. Степаненко, Л.И.Тывес. -Механика машин. М.: Наука, 1971, вып. 27-28, с. 5-16.

73. Павлов Б.И. Операционная система проектирования пространственных механизмов. В кн.: Исследование динамических системна ЭВМ. М.: Наука, 1982, с.99-103.

74. Повилейко Р.П. Об анатомических требованиях человека к современной технике. Новосибирск, 1964. - 81с.

75. Повилейко Р.П. Органы управления и инструмент. Новосибирск, 1965. - 88с.

76. Половинкин А.И. Автоматизация поискового конструирова-. ния. М.: Радио и связь, 1981. - 344с.

77. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Мэнипуляцион-ные работы. Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978. - 400с.

78. Попов Е.П. Основные проблемы робототехники. Механика машин. М.: Наука, 1983, вып. 60, с.13-16.

79. Реформатский И.А., Мотин Ю.Д., Нужин В.Н., Рациональный выбор систем дистанционной передачи движений и усилий (СДПДУ)

80. Механика машин. М.: Наука, 1974, вып. 46, с.58-61.

81. Руководство по эргономическому обеспечению разработки техники. М., 1979. - 260с.- 137

82. Руководящие информационные материалы по выбору оптимальных параметров машин и конструкций. М.: ГосНИИМаш им.

83. A.А.Блэгонрэвовэ, 1980. 280с.

84. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - 192с.

85. Ручное управление манипулятором / Г.Б.Браверман,

86. B.П.Гусев, А.Е.Кобринский и др. В кн.: Теория и устройство манипуляторов. М.: Наука, 1973, с. 5-8.

87. Соснушкин В.И., Трояновский Е.И. Анализ трудоемких ручных операций в молочной и пищевой промышленности и примеры их механизации с помощью копирующих манипуляторов. В кн.: Интенсификация процессов и оборудования пишевых производств. Л.,1977, с.59-63.

88. Соснушкин В.И. Разработка манипуляторов для механизации трудоемких ручных операций в пищевой промышленности и исследование их точностных характеристик при выполнении рабочих операций. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд.техн.наук. Л., 1981т 19с.

89. Справочник по прикладной эргономике / Под ред. В.М.Мунипо-ва. М.: Машиностроение, 1980. - 216с.

90. Стефенсон Р. Введение в ядерную технику. М.:Гостехиздат, 1956. 536с.

91. Суетин В.А., Ушаков В.И. Моделирование зоны обслуживания манипулятора. Теория механизмов.М., 1978, вып. 8, с.91-96.

92. Ткаченко А.Н., Кондратенко 10.П. Адаптивный подход к проектированию механизмов. В кн.: Применение методов оптимизации в теории механизмов и машин. - М.: Наука, 1979, с. 114-118.

93. Трояновский Л.И., Жэвнер В.Л. Сравнительный анализ кинематических схем промышленных роботов и манипуляторов по коэффициенту использования рабочего объема. В кн.: Интенсификация- 138 процессов и оборудования пищевых производств. Л., I975,c.II2-II6.

94. Тур И.Б. Моделирование элементарных движений руки человека. В кн.: Моделирование и управление в развивающихся системах. М.: Наука, 1978, с. 234-239.

95. Уайлд Д. Оптимальное проектирование.-М.:Мир,1981.-272с.

96. Ушаков В.И. Качественный анализ зоны обслуживания манипулятора. Тр. МВТУ, 1976, № 227, вып. 7, с.133-136.

97. Ушаков В.И. Построение структурных схем пространственных •копирующих манипуляторов. Тр. МВТУ, 1981, № 352, с.130-135.

98. Филатов В.И., Петелина В.В., Великсон М.В. Биомеханическое обоснование построения протезов верхних конечностей. В кн.: Биотехника, Рига, 1975, с.340-344.

99. Филатов В.И., Великсон М.В. Верхняя конечность. В кн.: Клиническая биомеханика. Л., 1980, с.107-153.

100. Филиппов О.А. Определение размеров и точки подвеса управляющей рукоятки, движущейся в горизонтальной плоскости. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1982, Ш 10, с. 53-55.

101. Филиппов О.А. Способ задания структурных схем манипуляторов. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1983, № 2, с.147-148.

102. Филиппов О.А. Моделирование на ЭВМ движения рукоятки управления. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1983, îic 9, с.52-55.

103. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование .М.: Мир, 1975. 534с.

104. Т>С pump drive controâs с уé?in de г speed. -Hydrau€lcs and Pneumatics, USfi, C8eveâend, Ofrio, 4984, УЗ, p. 42.

105. Giant roôot arm achieves précision unc/er тапиов ar automatic controe.- tanadion Contr-овand Un s -¿rumen t pt L on^ /984, v.20j //7 p.20.

106. Lowe Vuncan &. PoSot tecAnoâogy in rernote inspection and repoir. Moasuromen-t anc4 coni.ro¿f, London, 4984, к M8, р.28Ъ -287.jos. The enqineers di€emma. /Vé>wv Scientlst^ London, 4984, и.92, /28 О, p.ïOO-ïOZ.