автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Компьютерное управление и оптимизация по быстродействию движений манипуляционных роботов с кинематической избыточностью

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Кинематическая избыточность манипуляторов.

1.2. Особенности применения роботов с кинематической избыточностью.

1.3. Оптимальное по быстродействию управление движением неизбыточных роботов вдоль заданного контура.

1.4. Оптимальное движение избыточных роботов. Методы раскрытия кинематической избыточности.

1.4.1.Обратная задача кинематики для избыточных манипуляторов.

1.4.2.Локальное оптимальное управление.

1.4.2.1 .Управление движением с избежанием сингулярных конфигураций.

1.4.2.2.Передаточное отношение скоростей манипулятора и его механическое качество.

1.4.2.3.03К с рассмотрением приоритета задач.

1.4.2.4.Оптимизация моментов.

1.4.3.Глобальное оптимальное управление.

1.5. Цели и задачи диссертационной работы.

1.6. Выводы.

2. РЕШЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ДЛЯ ТРЕХСТЕПЕННОГО ПЛОСКОСТНОГО МАНИПУЛЯТОРА.

2.1. Уравнения обратной задачи кинематики.

2.2. Геометрический анализ скоростей сочленений манипулятора.

2.3. Выводы.

3. ОПТИМАЛЬНОЕ ПО ВРЕМЕНИ УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ РОБОТА ВДОЛЬ ЗАДАННОГО КОНТУРА.

3.1. Формулировка задачи.

3.2. Локальное оптимальное управление. Движение с максимальной скоростью вдоль траектории.

3.2.1 .Обычный случай.

3.2.2.Исключительный случай.

3.3. Глобальное оптимальное по времени управление движением.

3.3.1.Структура глобального оптимального по времени управления движением вдоль заданного контура.

3.3.1.1.Обычный случай.

3.3.1.2.Случай сингулярного управления.

3.3.2.Численный пример.

3.4. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РОБОТА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Общие положения.

4.2. Модель сервопривода.

4.3. Модель системы управления робота PUMA 560.

4.4. Динамика механической конструкции робота.

4.5. Программа моделирования.

4.6. Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Общие положения.

5.2. Структура экспериментального устройства управления.

5.2.1.Промышленный робот РМ 01.

5.2.2.Блоки питания.

5.2.3.Плата управления сервоприводом PCL-832.

5.2.4.Принцип работы PCL-832.

5.2.4.1.Замкнутый контур управления положением.

5.2.4.2.Принцип работы.

5.2.4.3.Время ЦДА цикла.

5.2.4.4.Буфер ЦДА импульсов.

5.2.4.5.Масштабирующий усилитель.

5.2.4.6.Счетчик ошибки.

5.2.4.7.Регистр статуса.

5.2.4.8.Преобразователь «частота-напряжение».

5.2.5.Мультифункциональная карта.

5.2.6.Сервоусилител и.

5.3. Инсталляция аппаратного обеспечения.

5.3.1.Соединение блока питания постоянного тока.

5.3.2.Соединение двигателя.

5.3.3.Соединение входных проводов.

5.4. Программное обеспечение системы управления.

5.4.1.Общие сведения.

5.4.2.Программирование управления движением.

5.4.3.Определение значений абсолютных координат сочленений.

5.4.4.Определение точного периода времени ЦДА цикла.

5.4.5.Определение реальной траектории движения робота в декартовой системе координат.

5.4.6.Реализация движения робота вдоль заданного контура с произвольным профилем скорости.

5.4.7.Численный пример движения робота с произвольным контуром скорости.

5.5. Настройка системы.

5.6. Определение предельных значений скоростей сочленений.

5.7. Выводы.

6. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

6.1. Решение задачи планирования траектории.

6.1.1.Установившийся режим движения.

6.1.2.Переходный режим движения.

6.2. Результаты симуляционных исследований.

6.3. Результаты экспериментов.

6.4. Выводы.

История развития промышленного производства неразрывно связана с неуклонным ростом научно-технического прогресса, потребностью в улучшении качества продукции и снижении ее себестоимости. На ранних стадиях это нашло выражение в возникновении ручного производства, на более поздних - жесткой и гибкой автоматизации.

Примером ручного производства являлись ремесленные мастерские, где качество продукции во многом зависело от навыков ремесленника и цена продукции была очень высокой.

Массовое производство впервые появилось на заводах компании «Форд» в начале двадцатого века. Для него характерно то, что большинство технологических операций выполняется на специализированном оборудовании и станках. Это позволило значительно снизить себестоимость производства и сделало автомобиль и другую промышленную продукцию доступной для широкого круга потребителей. Вместе с тем, из-за узкой специализации используемого оборудования возникают сложности при переходе производства от одной модели к другой, ведущие к большим экономическим и временным затратам. Такой способ производства называется жесткой автоматизацией.

Недостаточная гибкость оборудования и относительно высокие затраты жесткой автоматизации привели к появлению нового подхода, когда в производстве стали использоваться промышленные роботы для выполнения отдельных технологических операций, таких как перенос материалов, сварка, окраска, сборка и другие.

Управление роботами осуществляется компьютерами или микропроцессорами, поэтому они могут быть легко перепрограммированы на выполнение других задач. Как следствие этого, отпадает необходимость в замене оборудования при переходе к выпуску новых моделей. Такой способ производства называется гибкой автоматизацией.

Обычно на практике применяется сочетание всех трех названных способов. В общем случае ручное производство является малопроизводительным и не всегда обеспечивает высокое качество продукции. Жесткая автоматизация обладает наибольшей производительностью одновременно с более высоким качеством продукции, чем два других способа. Однако замена оборудования при смене номенклатуры продукции сопровождается дорогостоящими затратами. В случае гибкой автоматизации значительно меньше времени требуется для настройки производственной линии, так как роботы могут быть легко перепрограммированы. Также этим они хорошо защищены от морального старения оборудования.

Обычно при малых объемах выпуска продукции ручное производство является наиболее экономичным. При возрастании объемов производства экономически более эффективным становится гибкая автоматизация. При дальнейшем наращивании объемов применение жесткой автоматизации становится самым эффективным производственным способом.

Производительность предприятия во многом зависит от эффективности использования технологического оборудования. Стремление улучшить эти показатели для промышленных роботов (ПР) связано с необходимостью разработки и внедрения новых алгоритмов управления движением ПР, созданием новых систем управления, способных реализовывать современные алгоритмы управления и автоматизировать решение задач планирования траектории. Вследствие этого повышается производительность ПР и снижается время переналадки технологического оборудования при изменении номенклатуры выпускаемой продукции.

Подобные задачи должны решаться комплексно с рассмотрением всех составляющих робототехнической системы: механической части робота, приводов звеньев, системы управления. Это приводит к сложному математическому моделированию, вследствие чего их решение стало возможным лишь с широким распространением вычислительной техники и ее совершенствованием.

С появлением персональных компьютеров (ПК) появилась возможность на их основе создавать системы управления, использовать их для моделирования динамики манипуляторов, проводить оценку существующих алгоритмов решения задачи планирования траектории и вести разработку новых методов.

В настоящей диссертационной работе проведено решение задачи планирования траектории с оптимальным по времени управлением движением избыточного робота вдоль заданного контура. Одновременно с этим на основе ПК разработана экспериментальная система управления с открытой архитектурой промышленным роботом, способная реализовывать современные алгоритмы управления движением и пригодная для проведения исследований.

В основу исследований положены результаты, полученные отечественными и зарубежными учеными - Подураевым Ю.В., Somlo J., Chen Yaobin, Chien Stanley Y.-P., Leitmann G.,Shin K.G., McKay N.D., Nakamura Y. и др.

Теоретические исследования основаны на некоторых разделах теории оптимального управления, расширенном принципе максимума Понтрягина, матричном разделе математики, векторной алгебре. Проверка достоверности полученных новых теоретических результатов осуществлена с применением методов математического моделирования и экспериментов. Реализация математической модели проведена в среде LabVIEW с помощью разработанной симуляционной программы, служащей для изучения динамики ПР РМ 01.

С целью проведения экспериментальных исследований на основе персонального компьютера разработана и использована система управления с открытой архитектурой ПР РМ 01.

Диссертационная работа выполнена на кафдре «Технологии машиностроения» Будапештского университета технологии и экономики (БУТиЭ) в рамках совместной международной Российско-венгерской программы подготовки научно-педагогических кадров по специальности "Робототехника и мехатроника".

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Результаты проведенных исследований могут быть положены в основу решения научно-технических задач увеличения эффективности использования избыточных и неизбыточных роботов, повышения гибкости систем их управления посредством применения в них открытой архитектуры.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Разработана математическая модель обратной задачи кинематики для трехстепенного плоскостного манипулятора. Благодаря ей раскрытие избыточности для рассматриваемого типа роботов сводится к выбору значения скалярной переменной вместо вектора, размерность которого равна числу степеней подвижности робота. Путем новой геометрической интерпретации выполнен анализ множества решений ОЗК.

2. Предложен метод локального оптимального управления, когда на участке установившегося движения робот движется с максимальной скоростью вдоль заданного контура. Он может быть использован при решении задач планирования траектории в режиме реального времени. Установлено, что обычно, по меньшей мере, два сочленения трехстепенного плоскостного манипулятора, движущегося вдоль заданного контура, работают на предельных скоростях.

3. Рассмотрен исключительный случай локального оптимального управления, имеющий место, когда два столбца матрицы Якоби манипулятора линейно зависимы. Сформулированы условия возникновения исключительного управления в течение конечного интервала времени.

4. В форме задачи с двухсторонними граничными условиями сформулировано необходимое условие оптимального по времени управления движением трехстепенного плоскостного манипулятора вдоль заданного контура, что лежит в основе метода глобального оптимального управления, гарантирующего минимальное время движения.

5. Рассмотрен случай сингулярного управления и определены условия его возникновения. Установлено, что при этом, по меньшей мере, одно сочленение работает с предельной скоростью.

6. Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать динамику робота с использованием LabVIEW. Использован эффективный метод вычисления параметров уравнения Лагранжа-Эйлера на основе рекуррентных уравнений Ньютона-Эйлера.

7. Разработано аппаратное и программное обеспечение экспериментальной системы управления с открытой архитектурой на основе ПК, позволяющее осуществлять движение робота вдоль заданного контура с произвольным профилем скорости и проводить мониторинг внутренних процессов. Система управления снабжена инструментами для ее настройки, для определения значений предельных скоростей сочленений и точного значения времени обновления задающего сигнала карты управления (ЦДА цикла).

8. Достоверность полученных новых теоретических результатов подтверждена экспериментальными и симуляционными исследованиями.

9. Разработанная экспериментальная система позволяет производить оценку качества и эффективности существующих и вновь предлагаемых методов управления. Она может быть также использована в исследовательских целях, касающихся вопросов управления и динамики робота.

10.Полученные результаты могут быть использованы для построения эффективного, оптимального по времени, управления движением роботов с избыточными степенями подвижности вдоль заданного контура и практической реализации рассмотренного и других современных методов управления.

1.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986.

3. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

4. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

5. Джордейн Роберт. Справочник программиста для IBM PC, ХТ&АТ. -М.: Радио и связь, 1992.

6. Зенкевич C.JL, Ющенко А.С. Управление роботами. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000.

7. Козлов В.В., Макарычев В.П., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Динамика управления роботами. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

8. Корендясев А. И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. и др. Манипуляционные системы роботов. М.: Машиностроение, 1989.

9. Коренев Г.В. Цель и приспособляемость движения. М.: Наука, 1974.

10. Кулаков Ф.М., Новаченко С.И., Павлов В.А. Динамическая модель робота//Сб. «Теория, принципы устройства и применение роботов и манпуляторов». Ленинград: ЛИИ им. М.И. Калинина, 1974.

11. Медведев B.C., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978.

12. Овакимов А.Г., Аншин С.С. Элементы структуры кинематики и геометрии некоторых типов манипуляторов//Сборник научнометодических статей «Теория механизмов и машин», вып. 3. М.: Высшая школа, 1973.

13. Понтрягин JI.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983.

14. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич C.J1. Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1978.

15. Промышленный робот РМ-01. Руководство по аппаратной части. А/О «Нокиа». Отдел робототехники.

16. Устройство управления СФЕРА-36. 3.623.017. Техническое описание. Альбом №1.

17. К. С. Фу, Р. С. Гонсалес, С. С. Г. Ли. Роботехника. М.: Мир, 1989.

18. Юревич Е.И. Основы робототехники: Учебник для втузов. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985.

19. N. Arda Erol, Yusuf Altintas, and Mabo Robert Ito. Open System Architecture Modular Tool Kit for Motion and Machining Process Control//IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, VOL. 5, NO. 3, September, 2000.

20. Armstrong В., Khatib O., Burdick J. The explicit dynamic model and parameters of the PUMA 560 arm//Proc. IEEE Cont. on Robotics and Automation, 1986.

21. ACL-8112PG Advanced Multi-function Data Acquisition Card. User's Manual.

22. Asada H. A Geometrical Representation of Manipulator Dynamics and Its Application to Arm Design//Trans. ASME J. Dyn. Sys., Meas. Contr. 105 (3).

23. Burdick J. On the Inverse Kinematics of Redundant Manipulators: Characterization of the Self-Motion manifolds//Proc. IEEE Int. Conf. Robot, and Automat., 1989.

24. Chen Yaobin, Chien Stanley Y.-P., Desrochers Alan A. General Structure of time-optimal control of robotic manipulators moving along prescribed paths//Int. J. Control, vol. 56, no. 4, pp. 767-782, 1992.

25. Dubey R., Luh J.Y.S. Redundant Robot Control Using Task Based Performance Measures//Journal of Robotic Systems, vol. 5, pp. 409-432, 1988.

26. Galicki M. The Structure of Time-Optimal Controls for Kinematically Redundant Manipulators with End-Effector Path Constraints//Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation. -Leuven, Belgium, May, 1998.

27. Hollerbach J. M., Suh К. C. Redundancy Resolution of Manipulators through Torque Optimization/ЯЕЕЕ Journal of Robotics and Automation, vol. RA-3, no.4, August 1987.

28. Leitmann, G. The Calculus of Variations and Optimal Control: an Introduction. New York: Plenum Press, 1981.

29. Luh J.Y.S., Walker M.W., Paul R.P. On-Line Computational Scheme for Mechanical Manipulators//Trans. ASME, J. Dynamics Systems, Measurements and Control. 120, pp. 69-76. 1980.

30. McCarthy J.M., Bobrow J.E. The Number of Saturated Actuators and Constraint Forces During Time-optimal Movement of a General Robotic System/ЛЕЕЕ Transactions on Robotics and Automation, vol. 8, no.3, June 1992.

31. Nakamura Y. Advanced Robotics: Redundancy and Optimization. Addison-Wesley Publishing Company, 1991.

32. Nedungadi A., Kazerouinian K. A Local Solution with Global Characteristics for the Joint Torque Optimization of Redundant Manipulator/Journal of Robotic Systems, 6(5), 1989.

33. Neuman C.P., Murray J.J. The Complete Dynamic Model and Customized Algorithms of the PUMA Robot/ЯЕЕЕ Transactions on Systems, Man and Cybernetics, vol. SMC-17, No 4, July/August 1987.

34. Park J., Chung W. K., Youm Y. Behaviors of Extended Jacobian Method for Kinematic Resolutions of Redundancy//Proc. IEEE Int. Conf. Robot, and Automat., 1994.

35. PCL-832 3-axis Servo Motor Control Card. PC-LabCard Series User's Manual. Part No. 2005832000 1st Edition. Taiwan, December 1994

36. Pin F.G., Belmans P.F.R., Culioli J.-C., Carlson D.D., Tulloch F.A. New Solution Method for the Inverse Kinematic Joint Velocity Calculations of Redundant Manipulators//Proc. IEEE Int. Conf. Robot, and Automat., 1994.

37. Podurajev J., Somlo J. A New Approach to the Contour Following Problems in Robot Control (Dynamic Model in Riemann Space)//Mechatronics Vol. 3. #2,1993.

38. Rodney G. Roberts, Anthony A. Maciejewski Repeatable Generalized Inverse Control Strategies for Kinematically Redundant Manipulators // IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 38, No. 5, May 1993.

39. Shiller Z. Time-Energy Optimal Control of Articulated Systems with Geometric Path Constraints//Proceedings of IEEE Conference on Robotics and Automation, pp. 2680-2685, 1994.

40. Shiller Z., Hsueh-Hen Lu Robust Computation of Path Constrained Time-Optimal Motions//Proceedings of IEEE Conference on Robotics and Automation, pp. 144-149, 1990.

41. Shin K.G., McKay N.D. Minimum Cost Trajectory Planning for Industrial Robots. Control and Dynamic System Series//Advances in Robotics Systems, pp.345-403. New York: Academic Press, 1991.

42. Sokolov A., Toth S J. New Approach of Dynamic Simulation of PUMA 560 Implemented in LabVIEW//Periodica and Politechnica. Budapest: Technical University of Budapest, 2000.

43. Somlo J. Optimisation of robot motion//Mexican-Hungarian Workshop on Factory Automation and Material Sciences. Miskolc, Budapest, 1998.

44. Somlo J., Lantos В., Cat P.T. Advanced Robot Control. Budapest: Akademiai Kiado, 1997

45. Somlo J, Poduraev J. Optimal Cruising Trajectory Planning//Mechatronics, vol. 4, N5., 1994.

46. Yoshikawa T. Analysis and Control of Robot Manipulators with Redundancy//Robotics Research, eds. M. Brady and R. Paul, pp. 735-747. -Cambridge, MA: MIT Press.