автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы экспериментального определения показателей точности промышленных роботов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Игорь Кузьмич

б£1.865.8

МЕТОДЫ ЭКСШРЙШНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОЧНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы

и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в лаборатории робототехники института естественных наук Бурятского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель - доктор технических наук,профессор

Челпанов И.Б.

Официальные оппоненты - доктор,технических наук,профессор

Тимофеев А.Е.

кандидат технических наук.доцент Тисенко'Б.Н.

Ведущая организация - А.0 РТК "йнтериейшл".

i г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится ibffc?" "уд-¿C^W1994 г. в часов на заседании специализированного совета K.C63.3Ö.28 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: С-Петербург, Политехническая ул., 29

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке С-Петербургского государственного технического университета

Автореферат разослан " dt-e_1994 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета К 063.36.28

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат технических наук,

доцент f7//ß0tb<rtJ' _ Н.К.Чесноков

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Достоверные и объективные сведения о характеристиках роботов могут быть получены только в результате правильно спланированных и аккуратно проведенных испытаний. Несмотря на то, что действующими нормативно-техническими документами регламентированы организационные аспекты испытаний роботов, методические основы измерений при испытаниях проработаны совершенно недостаточно. Существенно неполной является номенклатура показателей, подлежащих экспериментальному определению при испытаниях, поэтому профессиональная пригодность роботов, прошедших испытания, в настоящее время не может быть достоверно установлена, до сих пор не решены вопросы нормирования показателей точности, поэтому приводимые в технических условиях данные допускает различную неоднозначную трактовку. Используемые методы измерений, нередко новые, непроверенные, реализующие изобретения, не обеспечивают требуемую достоверность результатов, вследствие чего результаты испытаний, проведенных в разных организациях, оказываются несопоставимыми. Некоторые методы (в частности, основанные на использовании оптических средств с фото-кино-и видеорегистрацией), несмотря на явные преимущества, не получили распространения. Совершенно недостаточное внимание уделяется единообразной и рациональной обработке первичных данных, Необходимо иметь в виду, что погрешности позиционирования существенно зависят от положения точек в рабочей зоне, а погрешности обработки программных звеньев - также от траектории и скоростей перемещений. При планировании испытаний это обстоятельство не учитывается. Практически не используются возможности повышения точности при избыточности систем датчиков за счет совместной рациональной обработки их выходных сигналов. Наконец, известные результаты испытаний, описываемые в публикациях, как правило имеют предварительный характер и ни в коей мере не дают полного представления о технических характеристиках, в первую очередь, о показателях точности роботов. В силу всего сказанного тема диссертации, посвященной разработке методических вопросов проведения испытаний роботов, выполнения измерений при испытаниях и представления их результатов, представляется актуальной.

Работы по теме диссертации велись в соответствии с программой Бурятского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (пункт 3.7 - Разработка методов экспериментального исследования сложных систем).

Цель и задачи исследования

Целью работы является научное обоснование, теоретическая проработка и опробование новых способов экспериментального определения показателей точности манипуляционных роботов и методов статистической обработки экспериментальных данных, обеспечивающих высокую точность и достоверность определения их точностных характеристик.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены следу юдие задачи:

- Систематизация сведений о различных методах экспериментального определения точностных характеристик роботов при позиционировании и отработке программных траекторий, а также сопоставительный анализ этих методов.

- Обоснование и анализ новых для робототехники методов определения погрешностей позиционирования и отработки программных траекторий.

- Выяснений возможностей формирования зависимостей выходных сигналов датчиков линейных перемещений и углов поворота от измеряемых ими геометрических параметров при различных способах их размещения и установки.

- Обоснование и выбор способов представления распределений погрешностей позиционирования по рабочей зоне.

- Исследование возможностей комплексирования системы датчиков, размещенных на звеньях механизма манипулятора.

- Опробование предложенных способов экспериментального определения показателей точности позиционирования и отработки программных траекторий на серийно выпускаемом промышленном роботе ТУР-ЮКМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- При экспериментальном определении показателей точности промышленных роботов целесообразно использовать оптические методы, обеспечивающие требуемое увеличение изображений, и регистрацию на фото- и кинопленке, а также видеозапись.

- В зависимости от -конкретных требований к расположению

части рабочей зоны, в которой экспериментально определяются показатели точности, следует выбирать схемы измерительных механизмов из числа предложенных автором и их параметры.

- При построении распределений погрешностей или их нормируемых характеристик по рабочей зоне можно выбирать глобальные или локальные методы аппроксимации, хорошо отражающие общие закономерности изменения погрешностей.

- Комплексирование однородных и в особенности разнородных средств измерений при управлении движением манипулятора робота и при экспериментальных исследованиях при определенных условиях позволяет значительно повышать точность и надежность результатов.

- Большинство предлокенньсх методов и приемов проведения экспериментальных исследований и статистической обработки полученных данных успешно выдержало проверку на практике.

Практическая ценность работы. Разработанные методы и методики измерений, а также статистической обработки экспериментальных данных позволяют значительно расширить арсенал технических средств и программного обеспечения, которые могут быть использованы при аттестации, сертификации и контроле сложного технологического и вспомогательного оборудования, повысить достоверность и точность определения основных характеристик оборудования, представить результаты исследований в компактной и наглядной форме. Использование результатов работы также позволит сокращать временные и материальные затраты на проведение испытаний.

Методика исследования. В работе использовались математические методы теоретической механики, теории автоматического управления, теории преобразования сигналов и теории планирования эксперимента. В экспериментальной части использовались типовые методы измерения механических величин, прикладной механики, прикладной метрологии, анализа данных и статистической обработки результатов измерений.

Использование полученных результатов. Результаты исследований, проведенных в диссертации, использованы в Институте зстественных наук Бурятского научного центра СО РАН при испытании серийного промышленного робота ТУР-ЮКМ, а также в 5СШ в учебном процессе при постановке новых лабораторных забот для студентов ряда специальностей.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции Бурятского научного центра СОРАН (Улан-Удэ)., а такке на научных семинарах кафедры "Автоматы" СПбГГУ (С.-Петербург) и кафедры "Станки и инструменты" ВСТй (Улан-Удэ). По теме диссертации опубликована одна статья и тезисы докладов на двух научно-технических конференциях.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 149 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 5 таблиц и список литературы, включающий Ю1 наименование работ.

СОДЕРЖАНИЕ даСЕРТАЩШ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели исследования и положения, выносимые на защиту, и дается краткий обзор содержания диссертации по главам. Также приводятся сведения о работах по экспериментальному исследованию роботов, выполнявшихся в нашей стране в таких организациях, как Институт машиноведения РАН (Е.Г.Нахапетян, А.Й.Корендясев), ЭНИЫС (С.С.Аншин), Тех-ноприбор (Л.М.Болотин), ЦНИИ РТК (С.Н.Колпашников), Ж1И (К. Б.Челпанов), ЦНИЙТЙ, ШМАТ, а также за рубежом (в техническом университете г. Штутгарта (проф. Варнеке).

Первая глава посвящена формулировке задач измерений при испытаниях промышленных роботов, описанию традиционных и новых для робототехники методов измерений. Формулировка требований к методам и средствам измерений определяется назначением и классом точности испытуемых роботов и связью с теми или иными этапами разработки и изготовления роботов и рядом других факторов. Наибольшую свободу предоставляют исследовательские испытания, на них обычно отрабатываются новые метода и средства измерений, по их результатам принимаются рекомендации по более широкому их применению. Наиболее высокие требования к достоверности результатов предъявляются на аттестационных, сертификационных и приемосдаточных испытаниях, В зависимости от вида испытаний варьируются требования к средствам измерений. В главе приведена сводка типовых требований к средствам измерений. Ключ к обо-4

снованному выбору типов и видов датчиков дает их классификация ( представленная на рис.1. Классифицирование осуществля-' ется по нескольким независимым признакам. В главе дается обзор типажа серийно выпускаемых и перспективных датчиков. Основное место занимают датчики малых и больших линейных и угловых перемещений. В главе особое внимание обращается на оптические методы, очень удобные для использования и дающие наглядные результаты. Автором предложены приемы, основанные на использовании дополнительных зеркал и линз, позволяющие увеличивать изображение и получать в одном кадре две и более проекции. Обсуждены различные приемы фото-кино- и видеорегистрации изображений с применением краткой однократной, многократной и длительной экспозиции. Применительно к обычным датчикам (резистявным, вращающимся трансформатором и т.п.) исследованы различные возможности их установки и размещения при применении специальных измерительных механизмов. На рис. 2 изображены различные примеры установки датчиков линейных перемещений и углов поворота при использовании шар-нирно-рычажных измерительных механизмов. Подобные механизмы позволяют формировать по желанию различные нелинейные зависимости выходного сигнала датчика от измеряемого параметра (линейного перемещения или угла поворота). В главе приведены формулы и построены графики для ряда схем. Серьезные трудности появляются при экспериментальном определении погрешностей отработки программных траекторий. Большинство датчиков больших перемещений не обладает достаточно выспкой точностью. Поэтому значительным преимуществом обладают методы, при которых определяются относительные перемещения рабочего органа робота относительно контрольного тела.* которое перемещается специальным задатчиком по определенной траектории. Механизм задатчика может выполняться как активный (с самостоятельным управляемым приводом) или как пассивный (без привода). При программировании движений производится согласование законов движения, задаваемых устройствами управления используемого робота и задатчика, так что измеряемые относительные перемещения остаются малыми при больших абсолютных перемещениях. В главе рассмотрены некоторые варианты реализации такого принципа, когда измеряются рассогласования или по всем, или только по некоторым координатам.

Датчики и измерительные приборы

Выходной сигнал

Физический принцип преобразования/

Взаимодействие

Способ установки/

Число компонент

Измеряемая.величина

1

м *■=}

к к к

к я к о га

со о со & со

КС ш К!

к Е2 к к

о си о о

о д ы СЕ

о о

ч о ►о' а

о о я о со

Г1 'С о 1-3 ►о

о о ■о р си

13 о о 3

лэ >-3 о со

Г1! 13

№ со

со ш

со

/

Рио. 1

Вторая глава посвящена проработке фундаментальных вопросов методологии экспериментального определения показателей точности манипуляционнътх роботов. Обращается внимание в первую очередь на то, что необходимо измерять не только линейные погрешности позиционирования, но и угловые погрешности ориентирования. Тогда погрешность представляется совокупностью шести скалярных величин: трех составляющих вектора линейного перемещения и трех составляющих вектора малого угла поворота. Нормирование только модулей этих векторов, как показано автором, приводит к заведомо завышенным требованиям к точности при существенных различиях уровней ограничения по составляющим. Отсюда вытекает рекомендация нормировать' линейные погрешности позиционирования и угловые погрешности ориентирования ■ независимо по составляющим (проекциям на оси выбранной системы координат). Далее в главе обсуждается вопрос обоснования выбора системы координат. Если механизм манипулятора имеет ось симметрии (обычно вертикальную), то соответствующая координата является циклической,- есть основания предполагать, что только немногие составляющие погрешностей зависят от этой координаты, причем законы их изменения определяются простыми соотношениями. В этих случаях для большинства остальных составляющих погрешностей достаточно рассматривать их зависимости только от двух координат, что значительно упрощает организацию и проведение экспериментальных исследований. Из анализа приближенных аналитических выражений, полученных на основе типовых расчетных моделей упругих механизмов манипуляторов, сформулированы рекомендации относительно выбора направлений осей координат, по которым целесообразно нормировать составляющие погрешностей позиционирования и ориентирования. Вопрос о разделении погрешностей на систематические и случайные решается в зависимости от того, какой из двух способов программирования движений используется : при аналитическом программировании, когда положение точек позиционирования определяется в базовой системе координат относительно базовых точек манипулятора, систематические погрешности необходимо выделять; при программировании же методом обучения начало отсчета не определено и следует рассматривать только отклонения от среднего, которые считаются случайными погрешностями и оцениваются только сред-неквадратичесними значениями. И систематические погрешности,

и среднеквадратические значения случайных погрешностей изменяются по рабочей зоне. В главе предлагается два основных пути получения приближенных аналитических выражений, задающих эти распределения: решения задач статики упругих механизмов (в этих решениях коэффициенты считаются свободными и определяются из условий наилучшего соответствия экспериментальным данным); распределения задаются универсальными интерполяционными формулами. Для двумерного распределения наиболее распространенными являются полиномиальные интерполирующие зависимости, например, квадратичная

Д* = с9*с„хгл* с43хгг Лг =са + С^х3 * <&ХгХ + + С^ХЧ Здесь коэффициенты Су определяются по методу наименьших квадратов. Кроме глобальной интерполяции также рассматриваются возможности интерполяции по отдельным частям рабочей зоны, в частности, методы сплайн- интерполяции. Поскольку распределения являются двумерными или трехмерными, классические методы сплайн- интерполяции должны быть доработаны, изложены идеи такой интерполяции.

Третья глава посвящена разработке новых для робототехники методов номплексирования датчиков, когда структурная избыточность информационной системы (датчиков больше, чем это минимально необходимо для однозначного определения искомых геометрических параметров и параметров положения) используется для повышения надежности и точности. Комплексирование имеет смысл как для систем управления, так и для контрольно-измерительных комплексов, Простейшим является вариант простого резервирования, когда дополнительные датчики устанавливаются по тем же осям, что и основные. В этих случаях наиболее эффективным средством повышения надежности является не обычно используемое осреднение, а мажорирование их выходных сигналов (выбор среднего из вариационного ряда значений выходных сигналов). Если дополнительные датчики, нак и основные, измеряют геометрическиЕ параметры, эти параметры различаются, целесообразно использовать методы типа метода избыточных переменных; в этих случаях можно выявить одиночные отказы датчиков, а в благоприятных случаях проводить частичную диагностику. Наиболее эффективным является комплексирование разнородных датчиков (одни из них измеряют линейные или угловые пере-

мещения, другие - линейные или угловые скорости или ускорения). В этих случаях используются частотные методы преобразования сигналов, для одних сигналов это фильтры верхних частот, а для других - нижних. При достаточной степени избыточности целесообразно налагать условие инвариантности относительно измеряемой величины (координаты линейного или углового перемещения), что означает отсутствие динамической погрешности. Оптимальные выражения передаточных фильтров находятся из условия минимума установившейся дисперсии погрешности определения измеряемой величины. Подробно рассмотрена одномерная задача, ногда определяется только одна величина (линейное перемещение по одной оси или угол поворота вокруг одной оси). Оптимизация осуществляется при заданных спектральных плотностях случайных погрешностей датчиков, решение находится при условии физической реализуемости при использовании логарифмических характеристик. В предположении, что погрешности датчиков представляют собой белые шумы, искомые передаточные функции имеют простой вид. Так если при комплексирования.используются сигналы датчика координаты и линейного акселерометра, то при наложении условия инвариантности относительно полезного сигнала оптимальные передаточные функции определяются следующими выражениями ^ ./оГ г г

где ¿3, и Зг - интенсивности случайных погрешностей датчиков (бедых шумов). В главе также получены выражения передаточных функций по каналам для других сочетаний датчиков. Б случаях, когда датчики ориентированы по различным осям и уравнения измерений для различных искомых координат или перемещений оказываются связанными, целесообразно сначала тригонометрически разделить уравнения, приводя сигналы к осям базовой ортогональной системы координат, а затем осуществлять динамические преобразования с помощью стационарных фильтров, как и для одномерной задачи. Применение нестационарных фильтров Кал-мана не имеют смысла, поскольку для этого требуется вычислительная техника с достаточно широкими возможностями. В заключении главы рассмотрен оригинальный способ определения пере-

мещений только по сигналам линейных акселерометров, для чего требуется двойное интегрирование их выходных сигналов. Этот способ в других прикладных задачах реализуется в инерциаль-ных системах. Применительно к робототехнике целесообразно использовать только принцип построения бесплатформенных инерци-альных навигационных систем, когда акселерометры устанавливаются не на специальной стабилизированной платформе, а на корпусе объекта (в данном лучае - на звенья манипулятора). При не очень высокой точности самих акселерометров и данных об угловом положении звеньев двойное интегрирование дает приемлемую точность лишь на малых интервалах времени (не более 0,5 секунды). Поэтому метод может быть рекомендован или для роботов, обладающих очень высоким быстродействием, или для обычных роботов, но только при исследовании кратковременных процессов разгона и торможения. Важным достоинством метода является полная автономность датчика,перемещения определяются одним и тем же образом (двойным интегрированием), независимо от числа степеней подвижности манипулятора.

Четвертая глава посвящена описанию конкретных программ и результатов экспериментальных исследований, выполненных автором в лаборатории робототехники Института естественных наук БНЦ СО РАН в 1991-94 г.г.

Исследования проводились на серийном промышленном роботе ТУР-ЮШ, манипулятор которого имеет пять степеней подвижности и работает в ангулярной системе координат. Система управления "Прогресс-8" предусматривает программирование методом обучения, причем имеются программы линейной и круговой интерполяции. При испытаниях была проверена реализуемость большинства предложенных методов измерений при испытаниях. Основной объем экспериментальных исследований относился к определению составляющих погрепностей позиционирования в различных точках вертикального сечения рабочей зоны (по узлам регулярной сетки 10x10). Для компактного представления результатов проводилась интерполяция зависимостей погрешностей от координат с помощью простых аналитических зависимостей. Выло установлено, что по рабочей зоне погрешности изменяются значительно (в несколько раз), причем эти зависимости являются в среднем гладкими и на качественном уровне соответствуют распределениям,

полученным теоретически с использованием простейших моделей. Максимальные значения погрешностей позиционирования в некоторых точках существенно (до трех раз) превосходят паспортную погрешность робота.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Возможности экспериментального определения показателей точности промышленных роботов могут быть значительно расширены за счет применения как новых методов измерений, так и варьирования способов размещения и установки датчиков.

2. Является перспективным использование оптических методов при фото-,кино- и видеорегистрации изображений; при этом обеспечивается высокая степень наглядности при хорошей точности.

3. При определении погрешностей отработки программных движений наиболее удобными в реализации являются предложенные в диссертации методы измерений, основанные на определении малых перемещений рабочего органа относительно положений, задаваемых специальным задатчкком.

4. Применение специальных измерительных механизмов, варьирование способов размещения и установки датчиков линейных перемещений и углов поворота позволяет существенно изменить вид и структуру уравнений измерений; оказывается возможным целенаправленно изменять характеристики измерительных устройств.

5. Представляется необходимым изменить и конкретизировать методы нормирования показателей точности роботов, в частности, наряду с дагреиностями позиционирования следует рассматривать погрешности углового ориентирования, нормировать показатели точности раздельно по осям, обосновывать выбор систем координат, выделять случаи, когда необходимо разделение погрешностей на систематические и случайные, и когда такое разделение невозможно.

6. При обработке и окончательном представлении экспериментальных данных необходимо описывать изменения нормируемых характеристик погрешностей позиционирования по рабочей зоне; для описания этого факта необходимо обоснованно выбирать или традиционные (глобальные), или новые (локальные типа сплайнов) аппроксимирующие выражения.

7, Комплексирование средств измерений при избыточности сенсорной системы позволяет при определенных условиях значи-тзльно повышать показатели надежности и точности при использовании системы датчиков как в составе системы управления, так и в составе контрольно-измерительного комплекса при испытаниях.

В. При комплексировании только датчиков линейных перемещений и углов поворота важно их расположение и место в кинематической цепи; предложенные алгоритмы преобразования их сигналов позволяют значительно повышать надежность, иногда осуществлять диагностику состояния датчиков и несколько снижать уровни случайных погрешностей.

9. Наибольший эффект повышения точности при комплексировании достигается при использовании разнородных датчиков, измеряющих как геометрические, так и кинематические величины (скорости, ускорения); применение частотных методов (в первую очередь, метода логарифмических характеристик в задачах синтеза оптимальных преобразований) позволяет строить легко реализуемые фильтры, значительно снижающие уровни случайных погрешностей.

10. Представляется перспективным использование в измерительных системах роботов линейных акселерометров или как самостоятельных датчиков, или совместно с датчиками линейных перемещений и углов поворота; наибольший эффект такое комп-лексирование дает при высоком быстродействии роботов или в режимах движения с большими ускорениями.

11. Экспериментальные исследования, проведенные на серийном промышленном роботе ТУР- ЮКМ, показали, что его погрешности значительно изменяются по рабочей зоне; для описания законов изменения погрешностей вполне достаточно использовать простейшие степенные полиноминальные аппроксимации.

12. Наибольшие значения погрешностей позиционирования

и отработки программных траекторий в 2-3 раза превышают паспортные значения.

13 Опробование некоторых новых методов экспериментального определения динамических погрешностей отработки программных законов с использованием оптических средств при фото-, кино- и видеорегистрации изображений показало, что они удоб-

аы е реализации и обеспечивают высокую степень наглядности.

14. Проверенный на макетах метод задания программных движений с помощью простых задающих механизмов с самостоятельными приводами позволил получать при испытаниях широкие наборы разнообразных траекторий и законов движения, при которых можно экспериментально определять показатели точности.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

I. Кинематический анализ циклоидального манипулятора с Применением АСПРОМ. Тез.докладов научно-практич.конференции, Улан-Удэ, 1992, ВСТЙ, стр.33.

2. Комплексирование средств измерений и контроля в системах управления и. при испытаниях роботов. 1ез.докладов научно-технич.конференции. Улан-Удэ, 1993, ВНЦ СОРАН, БИЕН,стр.ЗО.

3. Методы измерений^при испытаниях промышленных роботов (кино-фото и видеосъемка), тезисы докладов научно-технич.конференции, Улан-Удэ, 1993г., ВСТИ, стр.28.

4. Применение топологических методов структурного и кинематического анализа и синтеза при формировании компоновочных структур быстродействующих циклоидальных манипуляторов. Улан-Удэ, 1994, препринт, БНЦ СО РАН, БИЕН.стр.ЗЗ.