автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом

На правах рукописи

Цветкова Ольга Леонидовна

МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ШТУКАТУРНЫМ РОБОТОМ

Специальность 05 02 05 — «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03171051

Ростов-на-Дону — 2008

003171051

Работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения на кафедре «Электротехника и техническая кибернетика»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Паршин Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Глебов Николай Алексеевич, кандидат технических наук, доцент Лукьянов Евгений Анатольевич

Ведущая организация Ростовский государственный строительный

университет

Защита состоится ^июня 2008 г в на заседании диссертационного

совета Д 212 208 24 при Южном федеральном университете в зале заседаний Ученого совета Научно-исследовательского института многопроцессорных вычислительных систем имени академика А В Каляева Южного федерального университета по адресу 347928, г Таганрог, ул. Чехова, 2, корп И, комн 347

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу г Ростов-на-Дону, ул Пушкинская, 148

Автореферат разослан /Тмая 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Кухаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АюулльиостI. темы Штукатурные работы отличаются сложной технологией и использованием в большом объеме ручных методов работы Несмотря на развитие средств механизации, объем ручных операций на штукатурных работах остается значительным и достигает в отдельных случаях 60% В настоящее время сошны установки для приема, приготовления, транспортировки и перекачки растворов, установки для нанесения штукатурных растворов на поверхность, а также штукатурно-затирочный инструмент Это позволило получить значительный экономический эффект и снизить трудоемкость работ Однако операции нанесения грунта, накрывки и затирки требуют обязательно участия человека Кроме того, выполнение штукатурных работ связано с повышенной влажностью, распылением раствора, вибрацией, что делает этот вид рабог вредным для здоровья и мало привлекательным В связи с этим во многих с фанах проводятся работы по механизации и автоматизации штукатурных операций, связанных с подготовкой растворов, нанесением штукатурных растворов на поверхность, их разравниванием и затиркой Устранить ручной труд, значительно повысить производительность и улучшить качество штукатурных работ возможно на основе комплексной механизации и автоматизации операций Одним из направлений решения этой задачи является использование манипуляци-онных роботов и построение на их основе автоматизированных штукатурных комплексов Решение проблемы роботизации штукатурных работ делают тему диссертационной работы актуальной как в научном, так и в техническом плане

С середины 80-х годов ХХ-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций Среди них ведущую роль занимают ВНИИстройдормаш, МГСУ, ЮРГТУ (НПИ), РГСУ и др Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций, в частности штукатурных, базируются на трудах ученых Макарова И М , Фролова К В , Попова Е П , Юревича Е И , Кулешова А И , Ющенко А С , Тимофеева А В , Подураева Ю В , Бурдакова С Ф , Каляева НА и др , внесших значительный вклад в становление и развитие основ робототехники и мехатроники Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Загороднюк В Т , Паршин Д Я , Вильман Ю А , Булгаков А Г , Воробьев В А , Глебов Н А Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники, уровень автоматизации и роботизации штукатурных работ остался достаточно низким Это связано с необходимостью проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, систематизации выполненных исследований Успешная реализация проблемы создания штукатурных роботов связана с решением задач проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, построения их математических моделей, разработки методов и алгоритмов управления, обеспечивающих выполнение технологических операций

Настоящая работа посвящена разработке методов анализа и синтеза структурных схем штукатурных манипуляторов, созданию методов и алгоритмов управления, учитывающих состояние рабочей поверхности

Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам Работа выполнена в соответствии с научным планом работ Ростов-ской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) в рамках научного направления «Создание и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами, системы автоматического управления, регулирования и контроля»

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является роботизация производства штукатурных работ, обеспечивающая повышение эффективности и безопасности их выполнения Для этого необходимо решить следующие основные задачи

- исследовать технологические особенности проведения штукатурных работ и разработать принципы построения строительных роботов для штукатурных работ,

- разработать методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров звеньев,

- разработать метод моделирования упругих свойств звеньев и построить математическую модель штукатурного робота, учитывающую взаимодействие инструмента с рабочей поверхностью,

- разработать метод планирования движений рабочего инструмента при выполнении штукатурных операций на поверхности, содержащей запретные зоны,

- разработать методы управления штукатурным роботом при нанесении штукатурного раствора и его разравнивании, обеспечивающие формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат и коррекцию усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность

Идея работы заключается в построении штукатурного робота с манииу-ляционной структурой, выбор которой проводится на основе сравнительного анализа, а геометрические параметры определяются в результате параметрического синтеза, с управлением, основанном на методах и алгоритмах, обеспечивающих заданное качество управления с учетом характеристик обрабатываемых поверхностей и технологических ограничений

Методы исследования Теоретические и экспериментальные исследования, практические результаты работы основываются на методологии системного подхода, основных законах классической механики, теории и методах робототехники, методах математического анализа, теории автоматического управления, методах компьютерного моделирования Полученные результаты проверялись физическим и компьютерным моделированием

Научные положения, защищаемые автором:

- методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров на основе выполнения критериев, определенных технологией проведения работ,

- метод моделирования упругих свойств звеньев шт>натурного робота и математические модели, учитывающие деформации звеньев и взаимодействие рабочего инструмента с поверхностью.

- метод и алгоритмы планирования движений рабочего инструмента, обеспечивающие минимизацию числа нетехнологических переходов при выборе последовательности обхода запретных зон,

- методы структурно-параметрической коррекции усилий нажатия и многоуровневого управления в системе связанного пространства, обеспечивающие стабилизацию усилий нажатия инструмента на поверхность и формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат

Научная новизна работы состоит в разработке

- метода сравнительного анализа структурных схем, основанного на предложенных критериях эффективности, позволяющих оценить характеристики манипуляиионных систем штукатурных роботов с позиции практического применения, и метода параметрического синтеза манипуляционных систем, отличающегося использованием критерия минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения,

- простого и эффективного метода моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, основанного на использовании приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев,

- метода планирования движений рабочего инструмента при обходе запретных зон, отличительной особенностью которого является использование дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов,

- метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, в основу которого положено двухуровневое регулирование усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений и применение критерия минимизации работы при коррекции усилий, метода многоуровневого управления в системе связанного пространства, отличительной особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, методов классической теории управления, основ робототехники, корректностью допущений, принятых при разработке математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными (расхождение не превышает 6,7%)

Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации структуры, математические модели, методы анализа, синтеза и управления представляет собой методологические основы для разработки нового класса строительных роботов, отличающихся структурой, техно-

логией взаимодействия с рабочей средой, требованиями к управлению, которые расширяют теорию строительной робототехники

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в ней структуры, модели, методы и алгоритмы позволяют разрабатывать штукатурные роботы, обеспечивающие необходимую точность, сокращающие трудоемкость работ и повышающие качество их выполнения Практическая ценность работы состоит в следующем

- разработанные методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных структур позволяют обоснованно подходить к выбору структурных решений и заданию геометрических параметров звеньев штукатурного робота,

- предложенные математические модели позволяют сократить время разработки и проектирования штукатурных роботов, анализировать их статические и динамические характеристики,

- разработанные методы и алгоритмы управления штукатурным роботом позволяют оптимизировать траекторию движения и достичь заданного качества управления с учетом технологических ограничений,

- предложенные рекомендации по технической и программной реализации комплекса позволяют обоснованно выбирать состав комплекса, структурную схему штукатурного робота, тип системы управления, способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;

- разработанный программный пакет позволяет решать задачи построения моделей штукатурных роботов, моделирования движений и процессов оштукатуривания поверхностей, а так же разработки алгоритмов планирования и коррекции траекторий движения робота

Реализация работы. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ЗАО «Донмеханизация» Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Информационные и управляющие системы» РГАСХМ для студентов специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы»

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 20Об» (Новочеркасск, 2006 г), научно-практической конференции РГСУ «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2007 г), международной научно-технической конференции МАУ-2007 (Дивноморское, 2007 г), международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006 г., Ярославль, 2007 г), а также ежегодных научных конференциях РГАСХМ

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печ работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка и приложений Общий объем работы составляет 151 страницу машинописного текста, содержит 65 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 95 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В нерпой главе выполнен анализ технологии проведения штукатурных операции, в результате которого определены основные особенности и\ выполнения, и выявлены наиболее трудоемкие из них, такие как нанесение и разравнивание штукатурного слоя Обзор средств автоматизации и роботизации штукатурных работ показал, что в настоящее время отсутствуют эффективные средства автоматизации, обеспечивающие нанесение и разравнивание штукатурного слоя Особенностью штукатурных работ является разнородность используемых технологии для выполнения отдельных операций Если для нанесения растворов применяется технология набрызга, то для разравнивания материала и окончательной обработки нанесенной штукатурки используют методы силового воздействия на обрабатываемую поверхность

Исследования и разработки в области строительной робототехники показывают, что наиболее перспективным решением вопросов автоматизации процессов нанесения п разравнивания является совместное применение технологии оштукатуривания, основанной на методе набрызга с последующим разравниванием штукатурного раствора, средств робототехники и микропроцессорных управляющих устройств Рассмотренные особенности позволяют сделать выводы о том, что выполнение штукатурных работ с использованием средств робототехники требует проведения комплексных исследований, разработки структурной организации штукатурных роботов, решения задач управления, учитывающих условия окружающей среды и качество поверхности

Во второй главе разработана методика проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипулятора В соответствии с этой методикой были сформулированы основные этапы проектирования структурной схемы штукатурного манипулятора, включающие разработку альтернативных вариантов структурных схем, их сравнительный анализ по предложенным критериям, выбор наилучшей структуры манипулятора и проведение для нее параметрического синтеза

Для проведения сравнительного анализа предложено использовать следующие критерии

- сложность ^ и маневренность ц структуры,

- удаленность С ог рабочей поверхности,

- высота А и ширина ^ зоны обслуживания

Сравнительный анализ структурных схем предлагается проводить в два этапа На первом этапе из предложенного многообразия структур выбираются 2-3, обладающие минимальными значениями сложности Е, структуры и удаленности I* от обрабатываемой поверхности, причем приоритетным является критерий удаленности На втором этапе проводится сравнение выбранных структурных схем по маневренности ц, критериям высоты И и ширины 5 зоны обслуживания С целью упрощения и обобщения метода проводимого анализа предлагается для определения указанных показателей исследовать возможность

достижения роботом граничных точек, показанных на рис 1, а Выбор точек обусловлен критерием минимальности их количества и учеюм габаритных параметров обрабатываемых поверхностей, а также симметричности зоны обработки относительно плоскости перпендикулярной поверхности

структурная схема штукатурного манипулятора (б)

Для определения сложности ^ структурной схемы штукатурного манипулятора предложено использовать соотношение

^{кхп + к2р + къг)/3, (1)

где п — число степеней подвижности, р — количество видов степеней подвижности, I — число изменений направлений осей вращения (перемещения) степеней подвижности, — коэффициенты, характеризующие степень

влияния составляющих на общую сложность структуры Чем выше значение этого показателя, тем большими возможностями обладает манипуляционная система Однако, при этом следует учитывать, что увеличение числа степеней подвижности ведет к усложнению математических моделей робота и алгоритмов управления им

Важным показателем, характеризующим структурную схему штукатурного манипулятора, является удаленность Ь' от обрабатываемой поверхности Критерий С предлагается определять до граничной точки 1 на поверхности (рис 1, а) Для структурной схемы, приведенной на рис 1,6, ¿' определяется в соответствии с рис 2, а, из системы уравнений

¡1 =/2со5(<7,) + /3со5(<72 +<7з) + /„ + /3 -»ШШ, /, +1г%т(<11) = -1ъ5т{ц1+цг) На втором этапе сравнительного анализа используются критерии, качественно характеризующие структурную схему штукатурного манипулятора высота И и ширина 5 зоны обслуживания, при которых возможно выполнение штукатурных операций в соответствии с технологическими требованиями Увеличение этих показателей ведет к сокращению числа перестановок робота При оценке высота зоны обслуживания определяется на уровне граничной точки 3 (рис 2, а)

[/; = /,+ /2 5111(9;,)++ q-¡) -> та\, [¿' - /, со$(дг) - /3 соз(<7; + д-,) - (/4 + /5) = О, ширина зоны обслуживания — на уровне граничной точки 4 (рис 2, б) 15 = ус2 - (¿* - /5-» тах,

[с = С05(^3) + /3 СОБ(д2 +д3) + /4, /, +/, 51п(92)-/331П(д2 + <73) = 0

О------

(4)

гз::^

<71 <72

Рис 2 Схема определения удаленности от поверхности высоты (а) и ширины (б) зоны обслуживания Маневренность (I структурной схемы штукатурного манипулятора преложено оценивать в процентном выражении, зависящем от числа граничных очек, расположенных на прямоугольной зоне, ограниченной максимальной ысотой /г и максимальной шириной ^, которых робот достигает при условии ыполнения технологических требований (рис 1, а) Маневренность робота с ассматриваемой структурной схемой описывается системой уравнений вида [¿* =12сов(д2) + 13со$(д2 + <?3) + /4 +/5, [/2 втСд,) = -/3

Гг +(Ь' ~15)2 =(/2соз(^2) + /3соз(<72 + д3) + /4)\ [Ь = + 1г 51п(<72) + /3 зт(^2 + д-) Предложенный метод сравнительного анализа структурных схем позво-яет выбрать структуру, наиболее полно удовлетворяющую основным техноло-ическим требованиям

Синтез геометрических параметров предпочтительной структуры мани-улятора выполняется с целью определения соотношения длин звеньев, обес-ечивающего наилучшие технические характеристики, требуемые высоту А и ирину 5 зоны обслуживания, позволяющих в транспортном состоянии пере-ещать робот через дверные проемы При этом, исходя из конструктивных тре-ований, учитываемых при проектировании ориентирующих степеней подвиж-ости роботов, а также требования минимизации удаленности от рабочей по-ерхности, предлагается суммарную длину ориентирующих звеньев принимать

раничная точка 2 раничная точка 5

(5)

(6)

равной При определении наилучшего соотношения длин звень

переносных степеней подвижности предлагается использовать критерий мин мизации суммарной работы, выполняемой приводами робота при отработке т повых траекторий

м

\0

-»пнп,

(

где = к1 М1д/ — мощность приводау-ой степени подвижности, необходим

для перемещения массыу-го звена робота, М} — обобщенный момент_/-го пр

вода, —обобщенная скорость_/-ой степени подвижности, Л=1,2—1,3 —

эффициент запаса, учитывающий возможное увеличение мощности для ди мических режимов движения.

Как показали исследования, использование этого критерия позволяет п лучить такое соотношение длин звеньев, которое, с одной стороны, обеспеч вает требуемую зону обслуживания, а с другой — минимизацию работы, с вершаемой роботом При этом установлено, что изменение длины стойки нипулятора практически не влияет на величину суммарной работы робота этом случае высоту стойки манипулятора следует выбирать из конструктивн соображений в пределах 1,2—1,5 м, с учетом прохождения робота через две ные проемы

Выбор геометрических параметров длин 2-го и 3-го звеньев осуществ ется на основании поиска экстремума зависимости работы приводов робота

соотношения длин звеньев (рис При этом рассчитывается удале ность Ь от обрабатываемой верхности, суммарная длина 2-го 3-го звеньев /23, позволяющие ро ту при заданных параметрах высо Лтах и ширины 5гаах зоны обслу вания достигать граничных точек заданной ориентацией (рис 1, а)

Предложенный метод па метрического синтеза манипуля онной системы позволяет определить звенья, в большей степени влияющие формирование суммарной работы, совершаемой роботом, и определить так соотношение их длин, при котором эта работа будет минимальной

Ответственной и трудоемкой операцией является разравнивание шту турного слоя При автоматизации этой операции возникает необходимость гулирования давления рабочего инструмента на поверхность Для решения эт задачи разработан специальный рабочий инструмент для разравнивания р твора (рис 4) Его особенностью является наличие вибрационно-уплотняющ механизма, выполненного на основе пьезокерамических преобразователей

.4. Дж

4000

3000

2000

25 г3//3, м

Рис 3 Зависимость суммарной работы робота от соотношения длин звеньев

При подаче от устройства управления робота на пьезопреобразователи разно-иолярпых сигналов происходит изменение положения плоскости инструмента 2 относительно рабочей поверхности Между ними образуется положительный

угол у, величина которого может составлять 7—10 угл мин , что позволяет в процессе движения разравнивающего инструмента снизить усилия сопротивления разравниваемого слоя штукатурки, и повысить качество поверхности При подаче на пьезопреобразователи 1 переменного напряжения создается вибрационный режим работы разравнивающего инструмента 2, что ведет к уменьшению силы трения и улучшению качества поверхности Математическая модель рабочего инструмента представлена системой уравнений

1 ¿

U„ N = к ы Ар! , Д/ = N -, ч'~рг-,

' T¡5 + 1 7 ; )p-pl Fj ' ' 72s2+27^5 + 1

я (¿^оЦ-д/зЛ я (l (м2 -д/4)"] (8) у, =--arctg —-- , у2 = — -arctg --- ,

1 \ lp i L V р

где Aplj, Uj —деформация пластины и напряжениеу-го пьезопреобразователя, d — пьезоэлектрический модуль, 7¡ — постоянная времени пьезопреобразова-телей, N, — усилие в месте контактаj-го пьезопреобразователя с рабочей поверхностью, к , к ¡ — коэффициент упругости пружины и пластины пьезопреобразователя, Д/ — смещение пружины относительно у-го пьезопреобразователя, — динамические параметры пружины, у — вектор ориентации рабочего инструмента, у,,у2 — углы наклона инструмента, Lp — расстояние между пьезопреобразователями, Lpr —длина пружины

Для анализа и синтеза законов управления штукатурными роботами, а также исследования динамических характеристик, разработаны математические модели, учитывающие их технологические, кинематические и динамические особенности С целью решения обратной задачи кинематики о положении предложен итерационный метод решения, особенностью которого является учет правил движения рабочего инструмента при выполнении технологических штукатурных операций Этот метод позволяет сократить время вычислений

Особенностями построения динамической модели штукатурного робота является необходимость учета динамики взаимодействия рабочего инструмента с упруго-вязкой средой, а также упругих свойств звеньев робота Динамическая модель штукатурного робота при выполнении им операций по разравниванию штукатурного слоя представлена системой уравнений

Рис 4 Устройство рабочего инструмента

[0(9) Ч +Н(9,<7) + с(9) = М + /(9) К(<7~), Д + */" ^шг+М, Л?) ?+'» I.

где /V — вектор сил взаимодействия инструмента с раствором ки, к1, ¡л, —

коэффициенты упругости раствора, сухого и вязкого трения, Д — вектор деформации раствора, т — деформируемая масса, J — матрица связи обобщенных <7 и декартовых X скоростей

Новым в постановке задачи является учет упруго-вязких свойств штукатурного раствора, с целью обеспечения возможности регулирования усилии нажатия рабочего инструмента на поверхность в зависимости от характеристик нанесенного слоя Первое уравнение (9) описывает динамику манипулятора при взаимодействии с поверхностью штукатурного слоя, а второе - динамические

ах,ы- свойства среды при влиянии на нее

рабочего инструмента Реализация такой системы возможна при наличии датчиков усилия, расположенных в степенях подвижности манипуляюра или в рабочем органе

Особенностью штукатурных роботов являются значительные размеры звеньев, что вызывает в процессе работы деформации звеньев Исследования показали, что ошибки из-за деформаций звеньев при отработке траекторий могут достигать 60—80 мм (рис 5) Это требует обязательного их учета Для штукатурного робота необходимо, чтобы общая масса манипуляцион-ной системы не превышала допустимой нагрузочной способности перекрытий, поэтому актуальной является разработка моделей и алгоритмов управления, обеспечивающих учет деформаций звеньев Для учета упругих деформаций звеньев, возникающие в процессе работы манипулятора, предлагается использовать матрицы преобразований

'со5(Д«7,уп) -51п(Д<7,уп) 51п(Д<7,уп) со5(Д<7,уп)

-о 05

0 5 10 1 С

Рис 5 Ошибки положения инструмента за счет действия деформаций звеньев

г = л,, Я.(ДдГУ-

/. 1

о

(10)

где Д^ —угол между заданным и действительным положениями звена, А, — однородная матрица сложного преобразования для смежных систем координат Такой подход является эффективным в вычислительном отношении в связи с использованием линейных преобразований Угол деформации Д<7,уп звена зависит от жесткости конструкции и сил, действующих на звенья (рис 6)

АдГ =2агс1§{Ь,/211), (И)

Рис 6 Схема упругой деформации звеньев манипулятора

где 5, = , /,~'/(3£ J„) — прогиб /го звена робота, /, — длина звена £ — модуль упругости — момент инерции сечения звена, с/, — диаметр сечения звена. Г., , — сила

действующая на 1-ое звено со стороны (/+1)-го звена

Представленная на рис 7 математическая модель штукатурного робота учитывает характер взаимодеп-

ствия рабочего инструмента с упруго-вязкой средой штукатурного слоя а также деформацию звеньев манипулятора за счет упругих свойств конструкции

Рис 7 Математическая модель штукатурного робота В третьей главе сформулированы задачи, которые необходимо решит! для реализации управления штукатурным роботом преобразование координат траектории, заданных в системе координат поверхности в базовую систему ко ординат робота, прогнозирование движений с учетом возможных запретны зон, оптимизация скорости движения в зависимости от неровностей поверхно сти, коррекция усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность

На основе разбиения траектории на элементарные участки использования предложенного математического описания участков, а также применения уравнений связи систем координат поверхности и робота, строятся траектории движения штукатурного робота В случае точной установки и ориентации робота относительно рабочей поверхности, его система координат параллельна системе координат помещения x = L*-лр, y = s-yp, -=-,, Если в процессе

установки робота не была соблюдена точная ориентация, необходимо учитывать углы, характеризующие рассогласования систем координат робота и помещения При этом робот в ручном режиме определяет координаты 4-х граничных точек поверхности, а также задаются координаты 3-х точек основания робота Углы рассогласования определяются с использованием скалярного произведения соответствующих векторов Связь систем координат поверхности и робота описывается выражениями

-V = (l* - \р) coscp, cos(p3, jy = (s-у ) sincp, coscp2, = = :p sin(p, sincp3 (12)

Результаты исследований показали, что разработанный метод построения траекторий движения штукатурного робота позволяет реализовывать прямолинейные траектории и дуги окружности, исходя из габаритных параметров обрабатываемых поверхностей, а также с учетом углов рассогласования ориентации робота относительно поверхности

Особенностью планирования движений рабочего инструмента штукатурного робота является необходимость обхода запретных зон Для решения этой задачи разработан метод планирования движений, обеспечивающий обход запретных зон, основанный на использовании предложенного математического описания типовых траекторий, а также данных о форме, габаритах и местоположении запретных зон Поверхность, подлежащая обработке, представляется в виде множества участков Ф = {ф, «р,}, где г —количество участков Компонентами этого множества являются участки траектории, не содержащие нетехнологические переходы фг =(y{r),j,z{r) где y{r),,j,:{r)ij — координаты инструмента на участке г траектории в системе координат робота, ¡ = 1 Nr, j = 1 М, — номера линии и точки на участке / Координаты точек траектории движения задаются функциями, вид которых определяется алгоритмом обхода запретных зон

yir).j=rtr){>,jAhf,yf), z(r>,j=f_%j,s,sf, = f), (13)

где Sj,hj — ширина и высота запретной зоны, у f,=f — координаты базовой точки запретной зоны в системе координат робота

Основным условием при формировании алгоритма обхода запретной зоны является сокращение количества нетехнологических переходов О -> min Для решения этой задачи обрабатываемая поверхность разделяется на участки 'j Ü =' п) (Рис и определяется последовательность их обхода на основе

координат последней точки предыдущего участка Варианты объединения простейших участков представляются в виде дерева, на котором узлами

'1 г/ ь-'-л ■

к

п,

1 . 25

Рис 8 Схема обхода запретных зон

отображаются участки поверхности с указанием направления движений инструмента на этих участках а переходы между участками изображаются сплошными линиями со стрелками в случае отсутствия и пунктирными— в случае наличия нетехнологического перехода Дерево строится по правилу, в соответствии с которым в левую ветку добавляются участки, обрабатываемые без возникновения нетехнологических переходов В общем случае дерево обхода участков поверхности описывается системой множеств 5 = {Ф, Рп Р„,, Ва, Вь, Г}, где Ф — множество участков, РпРп, — множество технологических и не-

~~

(14)

технологических переходов между участками, Ва,Вь — множество входных и выходных участков, /*■ — отношение инцидентности При этом должны выполняться условия Р,г\Рп1=0, Ва г\Вь = 0 Отношение инцидентности Г указывает на то, что для каждого перехода существует единственный элемент (Ва,Р,,Вь)е Т7, (Ва,РппВь)еР, задающий для него входное Ва и выходное множество Вь участков Минимальное количество нетехнологических переходов имеет место в случае, когда количество эквидистантных линий на двух первых участках является одинаковой четности, т е выполняется условие

{-1, при тос!(Аи2а) = (0,о],

1, при то6(Иу,2а) = (а,2а], где Л, — четность эквидистантных линий на 1-ом и 2-ом участках, А, — высота участка, а — ширина эквидистантной линии траектории, шоё(/г,„а) — функция вычисления остатка отделения И„[а

Результаты моделирования показали, что разработанный метод позволяет эффективно осуществить выбор последовательности обхода рабочим инстру ментом запретной зоны по критерию минимизации количества нетехнологиче ских переходов

С целью обеспечения требуемого силового взаимодействия рабочего ин струмента с обрабатываемой поверхностью был разработан метод структурно параметрической коррекции усилий нажатия, основанный на двухуровневок регулировании усилий в зависимости от величины их рассогласования Сигна1 о действительном значении усилия, снимаемый с силомоментного датчика сравнивается с ограничениями = Ышп - (/,), %2 = 7\/(ДГ,) - Л^ Пр1 этом, если %1,%2 то регулирование усилий не требуется В случае, когд усилия нажатия не превышают максимальный предел ХкХг определяв

мый возможностями пьезопреобразователей, то коррекция усилий осуществля ется с помощью пьезопреобразователей рабочего инструмента Если же рассо

гласование превышает x,hp' то коррекция проводится путем изменения обобщенных координат робота

В процессе управления штукатурным роботом должны одновременно выполняться требования по допустимым отклонениям координат траектории и усилий max|^, -<70|<S(/, тах^,, -íV0|<Sw, где 84,5W —допустимые ошибки управления по обобщенным координатам и по усилию нажатия; q0,N0 и qü,Nd — заданные и действительные значения обобщенных координат и усилий в месте контакта Если при движении по заданной траектории усилие в месте контакта выходит за допустимые пределы, то проводится коррекция моментов в степенях подвижности с сохранением требуемой точности отработки траектории max|g0 -д0\<&9 Это осуществляется путем вычисления на каждом шаге управления вектора корректировки значений обобщенных координат Если траектория движения рабочего инструмента измеряется с относительно маленьким шагом, то достаточно будет корректировать координаты в следующей г-ой точке (рис.9). Для этого определяются новые декартовые координаты положения рабочего инструмента X, „еи = Х0 , + АХ,, где АХ, = ñ к, — прира-

„ ^ коэффициент (чем больше разница между

Т действительным усилием на предыдущем

Рис 9 Корректировка координат шаге Nd и заданным усилием на /-ом

рабочего инструмента шаге ^ ~ _ тем больше будет коэффициент

и тем больше инструмент отодвинется от поверхности), у — коэффициент коррекции, зависящий от физических параметров системы (типа поверхности, раствора, вида рабочего инструмента и др ), Х0 , —заданное значение декартовых координат на /-ом шаге Приращения обобщенных координат Ад,, позволяющие перевести инструмент из точки (/-1) в точку (i_new), определяются из следующей системы уравнений

{(Х,_пе„ ~Xd_,-\ )Г ~Xdj-\ ~J(9oj) Д?,)->шш,

1(М0 , Д§■,№„_, Дq) min, где J(q0 ,) — матрица Якоби, J(qQ ,) Дq, = Ah,) Ah, — перемещение из точки в точку X, new, М0 , — вектор заданных обобщенных моментов на /-ом

шаге

Первое уравнение этой системы обеспечивает перемещение инструмента в точку {¡_new), а второе — минимизацию работы, совершаемой роботом при переходе из точки (/ -1) в точку (i _new)

щение декартовых координат положения инструмента, п — нормаль единичной длины к плоскости поверхности (направленная от поверхности), ,-Л^ ,.,) — пропорциональный

ленная

Для определения оптимальных приращении обобщенных координат Лс/, обеспечивающих поддержание заданного усилия нажатия инструмента /V" предложено использовать векторный критерий:

где А ■

(А + В ■ Ад,) (А + В ■ Ад,) —> гшп.

(16)

Такой критерий обеспечивает итерационный поиск приращений по обобщенным координатам с учетом минимизации работы, совершаемой роботом, и его следует использовать в алгоритмах управления роботом при выполнении р а з р а в н и в аю щих операций.

На основе предложенного метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия был разработан алгоритм управления, обеспечивающий коррекцию обобщенных координат в случае превышения заданных усилии нажатия. С целью подтверждения работоспособности алгоритма управления исследовалась типовая горизонтальная траектория движения рабочего инструмента, заданная декартовыми координатами Ха. Требуемые усилия нажатия рабочего инструмента на поверхность варьировались в пределах 10Н< Nd < 20Н . В процессе работы алгоритма были сформированы новые координаты траектории движения рабочего инструмента Х„е„., обеспечивающие достижение допустимых усилий нажатия Мпеи.. Результаты представлены на рис.10.

Ат, Н

/ Г\

У' / ^

к / х / / гмм» . ]/ ; :

: \ • \ / ; * ! ""

33 40

42 О)

44

46

48 I, с

Рис.10. Результаты моделирования работы алгоритма управления роботом: а— изменение усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность: б — изменение положения рабочего инструмента Моделирование алгоритма управления показало, что предложенный метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность позволяет сократить временные затраты на расчет управляющих воздействий, вследствие использования двухуровневого регулирования в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений усилий.

С целью решения сформулированных выше задач штукатурного робот;, предлагается метод многоуровневого управления в системе связанного пространства. Особенностью метода является взаимосвязь систем координат робота и поверхности, обеспечивающая формирование управляющих функций I

слаоосвязанных системах координат, а также использование предложенных методов и алгоритмов управления, позволяющих роботу выполнять две разнотипные технологические операции нанесение и разравнивание раствора На основе этого метода была разработана структура системы управления штукатурным роботом (рис 11)

помещения

Модуль ввода

запретных зон параметров

Формирование вектора неровностей

Формирование траектории движения в системе координат поверхности

И/'

Построения траектории движения в системе координат робота

| Х,Х

Планирование движений в системе обобщенных координат

Q = F,(X),Q = J-\q)X

Алгоритм определения ориентации робота отноаггельно поверхности

Оптимизация скорости движения инструмента

Задание алгоритма обхода запретных зон

Ограничения манипулятора

<2.6

Формирование законов изменения обобщенных координат

Ультразвуковой датчик сканирования поверхности

Рис 11 Структура управления штукатурным роботом при нанесении растпора

Функцией верхнего уровня управления является формирование векторов, описывающих траекторию движения рабочего инструмента в базовой системе координат На втором уровне на основе интерполирующих алгоритмов проводится задание законов изменения обобщенных координат и скоростей Третий уровень является исполнительным На этом уровне вычисляется закон изменения напряжений двигателей робота, необходимый для реализации траектории и сил взаимодействия с поверхностью Особенностью системы управления, в случае выполнения операции разравнивания штукатурного слоя, является то.

что в ней присутствуют измерительные средства контроля усилий контакта рабочего инструмента и поверхности Такая структура позволяет повысить вычислительную способность системы управления за счет распараллеливания вычислительного процесса

В четвертой главе сформулированы предложения по технической и программной реализации комплекса, включающие предложения по составу комплекса, структурной схеме штукатурного робота, типу системы управления, способам программной реализации предложенных алгоритмов и методов управления Разработан прикладной программный пакет «Штукатурный робот» для автоматизации процесса построения математических моделей штукатурного робота, моделирования движений и процессов оштукатуривания, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирования траекторий, визуализации движения рабочего инструмента

Для подтверждения работоспособности разработанного рабочего инструмента и адекватности построенных математических моделей проведены натурные испытания макета робота Результаты испытаний и исследований позволили сделать следующие выводы Предложенная структура манипулятора, взятая за основу построения штукатурного робота для разравнивания раствора в режиме скольжения, обеспечивает необходимое качество и позволяет автоматизировать процесс Установка рабочего инструмента с углом наклона в пределах 7—10 угл мин. относительно проектной плоскости обрабатываемой поверхности позволяет улучшить качество поверхности, а также уменьшить усилие нажатия на 18,2%—42,3% за счет снижения усилий сопротивления разравниваемого штукатурного слоя При использовании вибрационного режима с амплитудой вибраций в пределах А= 1—1,5 мм и частотой вибраций в пределах /=40—60 Гц повышается гладкость поверхности, за счет уменьшения силы трения между поверхностью разравнивающего инструмента и слоем раствора Математическая модель штукатурного робота обеспечивает определение сил взаимодействия рабочего инструмента с поверхностью с относительной погрешностью 3%—6,5%, что достаточно для ее использования при исследовании, проектировании и управлении штукатурными роботами Математическая модель штукатурного робота обеспечивает учет упругих свойств звеньев с относительной погрешностью 1,5%—6,7%, что позволяет использовать ее в процессе дальнейших исследований динамических свойств штукатурного робота Математическая модель рабочего инструмента для разравнивания штукатурного раствора обеспечивает определение сил нажатия рабочего инструмента на поверхность, создаваемых пьезопреобразователями, с относительной погрешностью 1,6%—5,7%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача роботизации производства штукатурных работ, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности их выполнения Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие основные научные

выводы и практические результаты

1 Научно обоснована целесообразность автоматизации штукатурных работ на основе создания роботизированных штукатурных комплексов, позволяющих повысить безопасность и качество выполнения штукатурных работ, снизить трудоемкость

2 Предложена методика проектирования структурной схемы штукатурного манипулятора, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционной системы. Для сравнительного анализа структурных схем манипулятора предложены критерии оценки их эффективности, позволяющие сравнить характеристики манипуляци-онныч систем с позиции практического использования Разработан метод параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, отличающийся использованием критерия минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения

3 При проведении операции разравнивания раствора рекомендуется использовать разработанный рабочий инструмент, позволяющий регулировать давление на поверхность с помощью пьезопреобразователей, а также уменьшать силу трения при скольжении разравнивающего инструмента за счет использования вибрационного режима работы или изменением угла наклона инструмента относительно поверхности

4 Особенностью построения математических моделей штукатурных роботов является необходимость учета упругих свойств звеньев В связи с этим был разработан простой и эффективный метод моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, отличающийся использованием приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев

5 В случае, когда штукатурный робот обрабатывает поверхность, содержащую запретную зону, предлагается использовать метод планирования движений рабочего инструмента, особенностью которого является построение дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов

6 Установлено, что для достижения требуемого качества обрабатываемой поверхности необходимо регулирование усилий нажатия рабочего инструмента штукатурного робота на поверхность Разработанный метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, выполняющий двухуровневое регулирование, обеспечивает стабилизацию усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений с минимальными затратами работы при коррекции усилий

7 Разработанный метод многоуровневого управления в системе связанного пространства, особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности, обеспечивает формирование управляющих воздействий для приводов робота при слабосвязанных системах координат робота и обрабатываемой поверхности Использование алгоритмов многоуровневого

управления позволяет роботу выполнять технологические операции нанесения и разравнивания штукатурного раствора

8 Используя предложенные модели, методы и алгоритмы разработан прикладной программный пакет, обеспечивающий автоматизацию процесса построения математических моделей штукатурного робота, моделирования движении и процессов оштукатуривания, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирование траекторий, визуализации движения рабочего инструмента

9 Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность предложенного рабочего инструмента при проведении разравнивающих операций Моделирование и экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных математических моделей штукатурного робота и рабочего инструмента, поскольку относительные погрешности не превышают 6,7%

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1 Цветкова О JI Управление движением строительных роботов [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова // Мехатроника, автоматизация и управление -2007 - №12 - С 47

2 Цветкова О JI Робот для оштукатуривания внутренних помещений [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова // Изв вузов Сев -Кавказ регион Спец вып -2007 -С44-46

3 Цветкова О Л Оптимизация геометрических параметров кинематической структуры штукатурного робота [Текст] / О Л Цветкова // Электротехника и автоматика в строительстве и на транспорте межвуз сб/РГСУ - Ростов н/Д, 2005 - 107с -С 9-15

4 Цветкова О Л Динамические модели отделочных роботов [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова // Математические методы в технике и технологиях сб тр XIX междунар науч конф /ВГТА - Воронеж, 2006 -Т10 -250с -С 219-222

5 Цветкова О Л Динамическая модель штукатурного робота [Текст] / ДЯ Паршин, О Л Цветкова//Известия РГСУ -2006 -№10 - С 305-308

6 Цветкова О Л О надежности решения задач управления в «рассыпающейся» системе [Текст] / А И Зотов, О Л Цветкова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20 сб тр XX междунар науч конф, / ЯГТУ -Ярославль Изд-во Яросл гос техн ун-та, 2007-Т 4-270с -С 129-130

7 Цветкова О Л Разработка математической модели штукатурного робота с учетом упругости звеньев [Текст] / О Л Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства сб науч трУ РГАСХМ - Ростов н/Д, 2007 - 262с -С 255-257

8 Цветкова О Л Построение кинематической модели штукатурного робота [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства сб науч тр / РГАСХМ - Ростов н/Д, 2007 - 262с -С 8-11

9 Цветкова О Л Адаптивное управление штукатурными роботами [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова // Мехатроника, автоматизация, управле-

ние - 2007 материалы междунар науч -те\н конф , 24-29 сент , Дивноморское, Геленджик/ ЮФУ - Таганрог М,2007 - 470с - С 438-442

10 Пат 68413 Российская Федерация Робот для разравнивания штукатурного раствора [Текст] / Д Я Паршин, О Л Цветкова Ю В Степанов -№2007120135, заявл 29 05 07, опубл 27 11 07, Б юл № 33

Подписано к печати 07 05 2008 г Формат 60x84/16 Бумага офсетная Объем 1,3 уел печ л, 1,0уч-изд л Заказ № 2/08 Тираж 100 экз

Редакционно-издательский отдел РГАСХМ ГОУ 344023, г Ростов-на-Дону, ул Страны Советов, 1

Введение

1. Анализ технологических особенностей и средств автоматизации штукатурных операций. Постановка задач исследований

1.1. 'Анализ • технологических особенностей выполнения штукатурных работ

1.2. Анализ средств автоматизации и роботизации штукатурных работ

1.2.1. Оборудование для автоматизированного выполнения штукатурных работ

1.2.2. Роботы для выполнения штукатурных работ

1.3. Задачи роботизации штукатурных работ. Требования к штукатурному роботу

1.4. Анализ методов управления роботами с силовым воздействием

1.5. Постановка задач исследований

1.6. Выводы по главе

2. Разработка структурной схемы и построение математических моделей штукатурного робота

2.1. Разработка структурных схем штукатурного робота и их сравнительный анализ

2.2. Метод параметрического синтеза манипуляционной системы штукатурного робота

2.3. Структурная организация рабочего инструмента штукатурного робота и его математическая модель

2.4. Математические модели штукатурного робота

2.4.1. Кинематическая модель штукатурного робота

2.4.2. Динамическая модель штукатурного робота

2.5. Выводы по главе

3. Разработка методов и алгоритмов управления штукатурным роботом

3.1. Геометрический метод построения траекторий движения штукатурного робота

3.2. Метод планирования движений рабочего инструмента, обеспечивающий обход запретных зон

3.3. Алгоритм управления скоростью движения при нанесении раствора с учетом неровностей поверхности

3.4. Метод структурно-параметрической коррекции усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность

3.5. Структурно-параметрический синтез законов управления приводами робота

3.6. Структура системы управления штукатурного робота

3.7. Выводы по главе 3 116 4. Техническая и программная реализация штукатурного комплекса. Экспериментальные исследования

4.1. Предложения по технической реализации комплекса

4.2. Прикладной программный пакет для моделирования движений штукатурного робота и процессов оштукатуривания поверхностей

4.3. Экспериментальные исследования и результаты моделирования

4.4. Выводы по главе 4 139 Выводы по работе 141 Список литературы 144 Приложение

Актуальность темы. Штукатурные работы отличаются сложной технологией и использованием в большом объеме ручных методов работы. Несмотря на развитие средств механизации, объем-ручных операций на штукатурных работах остается значительным и достигает в-отдельных случаях 60%. В настоящее время созданы установки для приема; приготовления, транспортировки и ( перекачки растворов, установки для нанесения штукатурных растворов на поверхность, а также штукатурно-затирочный инструмент. Это позволило получить значительный экономический эффект и снизить трудоемкость работ. Однако операции нанесения грунта, накрывки и затирки требуют обязательно участия человека. Кроме того, выполнение штукатурных работ связано с повышенной влажностью, распылением раствора; вибрацией, что делает этот вид работ вредным для здоровья и мало привлекательным. В связи с этим во многих странах проводятся работы по механизации и автоматизации штукатурных операций, связанных с подготовкой растворов, нанесением штукатурных растворов на поверхность, их разравниванием и затиркой. Устранить ручной труд, значительно повысить производительность и улучшить качество штукатурных работ возможно на основе комплексной механизации и автоматизации операций. Одним из направлений решения этой задачи является использование манипуляци-онных роботов и построение на их основе автоматизированных штукатурных комплексов. Решение проблемы роботизации штукатурных работ делают тему диссертационной работы актуальной как в научном, так и в техническом плане.

С середины. 80-х годов ХХ-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций: Среди них ведущую роль занимают ВНИИстройдормаш, МГСУ, ЮРГТУ (НПИ), РГСУ и др. Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций, в частности штукатурных, базируются на трудах ученых Макарова И.М., Фролова K.Bi.,, Попова Е.П., Юревича Е.И., Кулешова А.И., Ющенко A.C., Тимофеева A.B., Подураева Ю.В., Бурдакова С.Ф., Каляева И.А. и др., внесших значительный вклад в становление и развитие основ робототехники и мехатроники. Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я., Вильман Ю:А., Булгаков А.Г., Воробьев В.А., Глебов Н.А. Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники, уровень автоматизации и роботизации штукатурных работ остался- достаточно низким: Это связано с необходимостью проведения, комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, систематизации выполненных исследований. Успешная реализация проблемы создания штукатурных роботов связана с решением задач проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, построения их математических моделей," разработки методов и алгоритмов, управления, обеспечивающих выполнение технологических операций.

Настоящая, работа посвящена разработке методов анализа и синтеза структурных схем штукатурных манипуляторов, созданию методов и алгоритмов управления, учитывающих состояние рабочей поверхности.

Соответствие* научному плану работ, и целевым комплексным программам. Работа выполнена в соответствии с научным планом работ Ростов-ской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) в рамках научного направления «Создание и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами, системы автоматического управления, регулирования и контроля».

Цель, и. задачи работы. Целью диссертационной работы является роботизация производства штукатурных работ, обеспечивающая повышение эффективности и безопасности их выполнения'. Для этого необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать технологические особенности проведения^ штукатурных работ и разработать, принципы построения строительных роботов для штукатурных работ;

- разработать методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров звеньев;

- разработать метод моделирования упругих свойств звеньев и построить математическую модель штукатурного робота, учитывающую взаимодействие инструмента с рабочей поверхностью;

- разработать метод планирования движений рабочего инструмента при выполнении штукатурных операций на поверхности, содержащей запретные зоны;

- разработать методы управления штукатурным роботом при нанесении штукатурного раствора и его разравнивании, обеспечивающие формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат и коррекцию усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность.

Идея работы заключается в построении штукатурного робота с манипу-ляционной структурой; выбор которой проводится на основе сравнительного анализа, а геометрические параметры определяются в. результате параметрического синтеза, с управлением, основанном на методах и алгоритмах, обеспечивающих заданное качество управления* с учетом характеристик обрабатываемых поверхностей и технологических ограничений.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, практические результаты работы основываются на методологии системного подхода, основных законах классической механики, теории и методах робототехники, методах математического анализа, теории автоматического управления, методах компьютерного моделирования. Полученные результаты проверялись физическим и компьютерным моделированием.

Научные положения, защищаемые автором:

- методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуля-ционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров на основе выполнения критериев, определенных технологией проведения работ; метод моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота и математические модели, учитывающие деформации звеньев и взаимодействие рабочего инструмента с поверхностью; метод и алгоритмы планирования движений рабочего инструмента, обеспечивающие минимизацию числа нетехнологических переходов при выборе последовательности обхода запретных зон; методы структурно-параметрической коррекции усилий нажатия и многоуровневого управления в системе связанного пространства, обеспечивающие стабилизацию усилий нажатия инструмента на поверхность и формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат.

Научная новизна! работы состоит в разработке: метода сравнительного анализа структурных схем, основанного на предложенных критериях эффективности, позволяющих оценить характеристики манипуляционных систем штукатурных роботов с позиции практического применения, и метода параметрического-синтеза манипуляционных систем, отличающегося использованием критерия минимизации суммарной* работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения; простого и эффективного метода моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, основанного на использовании приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев; метода планирования движений рабочего инструмента при обходе запретных зон, отличительной особенностью которого является использование дерева обходов элементарных участков траектории1 с целью определения, последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов; метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, в основу которого положено двухуровневое регулирование усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений и применение критерия минимизации работы при коррекции усилий, метода многоуровневого управления в системе связанного пространства, отличительной особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности.

Обоснованность и- достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов; физики, механики, методов, классической теории управления, основ робототехники; корректностью допущений, принятых при разработке математических, моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов? с результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными (расхождение не превышает 6,7%).

Научное значение результатов: исследований! состоит в том, что предложенные в диссертации; структуры,, математические модели, методы, анализа, синтеза и управления шредставляет собоЙ1методологические основы для разработки нового класса? строительных роботов, отличающихся структурой, техно-логией«взаимодействия;с рабочей:средой, требованиями к управлению, которые расширяют теорию строительной робототехники.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в ней структуры, модели; методы г и алгоритмы, позволяют разрабатывать штукатурные роботы, обеспечивающие необходимую точность, сокращающие трудоемкость работ и повышающие качество их выполнения. Практическая ценность, работы состоит в следующем: .

- разработанные методы, сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных структур позволяют обоснованно подходить к выбору структурных решению и заданию геометрических параметров - звеньев штукатурного робота;

- предложенные математические модели позволяют сократить время разработки и проектирования штукатурных роботов, анализировать их статические и динамические характеристики;

- разработанные методы и алгоритмы управления штукатурным роботом позволяют оптимизировать траекторию движения и достичь заданного качества управления с учетом технологических ограничений;

- предложенные рекомендации по технической и программной реализации комплекса позволяют обоснованно выбирать состав комплекса, структурную схему штукатурного робота, тип системы управления, способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;

- разработанный программный пакет позволяет решать задачи построения моделей штукатурных роботов, моделирования движений и процессов оштукатуривания поверхностей, а так же разработки алгоритмов*планированиями коррекции траекторий движения робота.

Реализация работы. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ЗАО «Донмеханизация». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Информационные и управляющие системы» РГАСХМ'для студентов специальности 220402'«Роботы и робототехнические системы».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), научно-практической конференции РГСУ «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2007 г.), международной научно-технической конференции МАУ-2007 (Дивноморское, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Математические методы в< технике и технологиях» (Воронеж, 2006 г.; Ярославль, 2007 г.), а также ежегодных научных конференциях РГАСХМ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печ. работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и* структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 151 страницу машинописного текста, содержит 65 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 95 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача роботизации производства штукатурных работ, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности их выполнения.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования- позволили получить следующие основные научные выводы и практические результаты:

1. Научно обоснована целесообразность автоматизации штукатурных работ на основе создания роботизированных штукатурных комплексов, позволяющих повысить безопасность- и качество выполнения штукатурных работ, снизить трудоемкость.

2. Предложена методика проектирования структурной схемы штукатурного-манипулятора, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционной системы. Для сравнительного анализа структурных схем манипулятора предложены критерии оценки, их эффективности, позволяющие сравнить характеристики манипуляци-онных систем с позиции практического «использования. Разработан метод параметрического синтеза- манипуляционных систем штукатурных роботов, отличающийся« использованием критерия.минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения:

3. При проведении операции разравнивания раствора рекомендуется использовать разработанный рабочий инструмент, позволяющий регулировать давление на поверхность с помощью пьезопреобразователей, а также уменьшать силу трения при скольжении разравнивающего инструмента за счет введение вибрационного, режима работы или изменением угла наклона инструмента относительно поверхности:

4. Особенностью построения математических моделей штукатурных роботов является необходимость учета упругих свойств звеньев. В* связи' с этим был разработан простой и эффективный метод моделирования упругих свойств звеньев1 штукатурного робота, отличающийся использованием приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев.

5. В случае, когда штукатурный робот обрабатывает поверхность, содержащую запретную зону, предлагается использовать метод планирования движений рабочего инструмента, особенностью, которого является построение дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов.

6. Установлено, что для достижения требуемого качества обрабатываемой поверхности необходимо регулирование усилий нажатия рабочего инструмента штукатурного робота на поверхность. Разработанный метод структурно-параметрической коррекции» усилий нажатия инструмента, выполняющий двухуровневое регулирование, обеспечивает стабилизацию усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений с минимальными затратами работы при коррекции усилий.

7. Разработанный метод многоуровневого управления в системе связанного пространства, отличительной особенностью которого» является* взаимосвязь систем координат робота и> поверхности, обеспечивает формирование управляющих воздействий для приводов робота при* слабосвязанных системах координат робота и обрабатываемой поверхности. Использование алгоритмов многоуровневого управления- позволяет роботу выполнять технологические операции нанесения и разравнивания штукатурного раствора».

8. Используя предложенные модели, методы и алгоритмы разработан прикладной-программный пакет, обеспечивающий автоматизацию процесса построения, математических моделей штукатурного робота, моделирования» движений и процессов оштукатуривания, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирование траекторий, визуализации движения рабочего инструмента.

9. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность предложенного рабочего инструмента при проведении разравнивающих операций.

Моделирование и экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных математических моделей штукатурного робота и рабочего инструмента, поскольку относительные погрешности не превышают 6,7%.

1. Автоматизированный электропривод промышленных установок Текст.: учеб. пособие для вузов / под ред. Г.Б. Оншценко.—М.: РАСХН, 2001. 520 е.: ил.

2. Балакришан В. Теория фильтрации Калмана Текст. / В. Балакри-шан. М.: Мир, 1998. - 168 с.

3. Булгаков А.Г. Промышленные роботы в строительстве. Кинематика, динамика, контроль и управление Текст. / А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев, ДЛ. Паршин, В.П. Попов. М:: Изд-во Российской инженерной академии; 2003. - 337 с.

4. Булгаков А.Г. Промышленные роботы в строительстве: Роботизация технологических процессов на строительной площадке Текст. / А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев, Д.Я. Паршин, В.П. Попов. — М:: Изд-во Российской инженерной академии, 2004.-268 е.: 133 ил.

5. Вержбицкий В.М.,Основы численных методов Текст.: учебник для вузов / В.М. Вержбицкий. — М.: Высш. шк., 2002. — 840 е.: ил.

6. Вильман Ю.А. Основы»роботизации в строительстве Текст.: учеб. пособие для студ. вузов по строит, спец. / Ю.А. Вильман. — М'.: Высш. шк., 1989. -271 е.: ил.

7. Воробьев Е.И. Промышленные роботы агрегатно-модульного типа Текст. / Е.И. Воробьев, Ю:Г. Козырев, В.И. Царенко; под общ. ред. Е.П. Попова. М.: Машиностроение, 1988. — 240 с.

8. Вукобратович М.К. Управление манипуляционными роботами Текст. / М.К. Вукобратович, Д.М. Стокич. М.: Мир, 1985.

9. Вукобратович М.К. Упрощенная процедура управления сильно связанными нелинейными большими механическими системами Текст. / М.К. Вукобратович, Д.М. Стокич // Автоматика и телемеханика. — 1978. — №11.

10. Вукобратович М.К. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами Текст. / М.К. Вукобратович, Д.М: Стокич, Н. Кирчнски. М.: Мир^ 1989. - 376 с.

11. Герман-Галкин С.Г. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями Текст. / С.Г. Герман-Галкин [и др.], — Л.: Энергоатомиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1996. — 248 с.

12. Данилов Н.Н: Технология и организация строительного производства Текст.: учеб. для техникумов / под ред. H.H. Данилова. М.: Стройздат., 1988. -752'с.

13. Дащенко А.Ф. Matlab в инженерных и научных расчетах Текст. / А.Ф. Дащенко, В.Х. Кириллов. — Одесса, «Астропринт», 2003.

14. Денисенко Г.Ф. Охрана труда Текст.: учеб. пособие для вузов Г.Ф. Денисенко. -М.: «Высшая школа», 1985.

15. Дж. Алберг. Теория сплайнов и ее приложения Текст. / Дж. Ал-берг, Э. Нильсон, Дж. Уолш. М.: Издательство «Мир», 1972. — 316с.

16. Доценко А.И. Строительные машины и основы автоматизации Текст.: учеб. для,строит, вузов / А.И: Доценко: М:: Высш: шк., 1995. - 400 с.

17. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем Текст. / Г.В. Дружинин. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-издат, 1986.-480с:

18. Загороднюк В.Т. Строительная^ робототехника Текст. / В.Т. Заго-роднюк, Д.Я. Паршин. М.: Стройиздат, 1990. - 268 е.: ил.

19. Зенкевич С.JI. Основы управления манипуляционными роботами Текст.: учебник для вузов / C.JI. Зенкевич, A.C. Ющенко. — 2-е изд., исправ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 480 с.

20. Зенкевич C.JI. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами Текст. / C.JI. Зенкевич, A.C. Ющенко. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 400 с.

21. Зинева JI.A. Справочник инженера-строителя Текст. / JI.A. Зинева. Ростов-на-Дону: «Феникс», 2002. — 544с.

22. Игнатов М.Б. Алгоритмы управления роботами-манапуляторами Текст. / М.Б. Игнатов; Ф.М. Кулаков. Л.: Машиностроение, 1977.

23. Козлов Ю.М. Адаптация и обучение в робототехнике Текст. / Ю.М. Козлов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 248 с.

24. Колесников A.A. Синергетическая теория управления Текст. / A.A. Колесников. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 344 с.

25. Красников В.Ф. Промышленные роботы и манипуляторы Текст.: учеб. пособие / В.Ф. Красников. Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1981.

26. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование Текст. / A.A. Красовский. — MI: Наука, Гл. ред. ф.-м. лит., 1973.

27. Красовский A.A. Современная прикладная теория управления. Ч.Г. Оптимизационный'подход в теории управления Текст. / A.A. Красовский, A.A. Колесников [и др.]; под ред. A.A. Колесникова.* Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

28. Крутько П.Д. Управление исполнительными системами роботов Текст. / П.Д. Крутько. М.: Наука., 1991. - 336 с.

29. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Цикл лекций Текст.: учеб. пособие для вузов / П.Д. Крутько.— М.: Машиностроение, 2004. — 576 с.

30. Лыпный М.Д. Справочник производителя работ в строительстве Текст. / М.Д. Лыпный. — 2-е изд., доп. и перераб:—Киев, Бущвельник, 1978. — 399 с.

31. Воробьев В.И. Механика роботов (в 3-х книгах) Текст.: учебн. пособие для вузов / В.И. Воробьев [и др.];.под ред. К.В. Фролова и Е.И. Воробьева. М.: Высшая школа, 1988.

32. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем Текст. / H.H. Моисеев. -М.: Наука, 1975.

33. Охрана труда в электроустановках Текст. / под ред. Б.А. Князев-ского.-М.: Энергоатомиздат, 1983. 335 с.

34. Очков В.Ф. Mathcad 8 Pro для студентов и инженеров Текст. / В.Ф. Очков. — М.: КомпьютерПресс, 1999. — 523 с.

35. Паршин ДЯ. Теоретические основы и практическое применение строительных роботов и мехатронных комплексов Текст. / Д.Я; Паршин. — Ростов-на-Дону: Рост.гос.акад.с.-х. машиностроения, 2005. — 265с.: ил.

36. Паршин ДЛ. Динамическая модель штукатурного робота* Текст. / Д Л. Паршин, О.Л. Цветкова // Известия РГСУ. 2006. - №10. - С.305-308.

37. Паршин Д.Я?. Динамические модели отделочных роботов Текст. / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XIX междунар. науч. конф. / ВГТА. — Воронеж, 2006. Т.10. — 250с. - С.219-222.

38. Паршин ДЛ. Построение кинематической модели штукатурного робота Текст. / ДЛ. Паршин, О.Л. Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства: сб. науч. тр./ РГАСХМ. Ростов н/Д, 2007. - 262с. - С.8-11.

39. Паршин Д.Я'. Робот для оштукатуривания внутренних помещений Текст. / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Изв. вузов. Сев.-Кавказ. регион. Спец. вып.- 2007. -С.44-46.

40. Пат. 68413 Российская Федерация. Робот для разравнивания штукатурного раствора Текст. / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова, Ю.В. Степанов -№2007120135; заявл. 29.05.07; опубл. 27.11.07, Бюл. № 33.

41. Паршин Д.Я: Управление движением' строительных роботов Текст. / Д.Я. Паршин, О.Л. Цветкова // Мехатроника, автоматизация' и управление.- 2007. №12. - С.47.

42. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab Текст. / В;Г. Потемкин: -В2-х т. М.: ДИАЛОГ-МИФИ; 1999. - 366 с.

43. Робототехника и гибкие автоматизированные производства1 Текст. В 9 кн. Кн. 3. Управление робототехническими системами и гибкими автоматизированными производствами: учеб: пособие для вузов / под. ред. И.М. Макарова. -М.: Высш. шк., 1986. 159 с.

44. Сабинин Ю.'А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы Текст. / Ю.А. Сабинин, B.JI. Грузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.-128 с.

45. Современная прикладная* теория управления. Текст.! Bi3 ч. Ч. 3. Новые классы регуляторов технических систем / под ред. A.A. Колесникова. -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 656с.

46. Современная прикладная теория управления Текст. В 3 ч. Ч: 2. Синергетический подход в теории управления / под ред. A.A. Колесникова. -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 559 с.

47. Справочник по промышленной робототехнике Текст. В 2 кн. / под ред. Ш. Нофа. — М.: Машиностроение, 1990. 960с.

48. Спыну Г.А. Промышленные роботы: Конструирование и применение. Текст. / Г. А. Спыну. Киев: Высш. шк., 1985. - 176 с.

49. Технология строительного производства Текст.: учебник для вузов / под,ред. Г-IvL Бадьин, А.В: Мещанинова. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. 606 с.

50. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы Текст. / A.B. Тимофеев. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. - 332 е.: ил.

51. Тимофеев A.B. Управление роботами Текст.: учеб. пособие / A.B. Тимофеев. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. - 240 с.60; Ткаченко Г.А. Справочник строителя Текст. / Г.А. Ткаченко, B.C. Аханов. — Ростов-на-Дону: Изд-во Феникс, 2003.

52. Фу К. Робототехника Текст. / К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли. М.: Мир, 1989.-624 с.

53. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование Текст. / Дж. Хедли. М.: Мир, 1967.

54. Цветкова О.Л. Оптимизация геометрических параметров кинематической структуры штукатурного робота Текст. / О.Л. Цветкова // Электротехника и автоматика в строительстве и на транспорте: межвуз. сб./ РГСУ. — Ростов н/Д, 2005. 107с. - С.9-15.

55. Цветкова О.Л. Разработка математической модели штукатурного робота с учетом упругости звеньев Текст. / О.Л. Цветкова // Новые технологии, конструкции и процессы производства: сб. науч. тр./ РГАСХМ. Ростов н/Д, 2007. - 262с. - С.255-257.

56. Черноусько Ф:Л. Манипуляционные роботы: динамика, управление, оптимизация Текст. / Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотник, В.Г. Градецкий. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 363 е.: ил.

57. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода Текст. / М.Г. Чиликин, A.C. Сандлер. — М .: Энергоиздат, 1981.

58. Шахинпур М. Курс робототехники Текст. / М. Шахинпур. — М.: Мир, 1990. 527 е., ил.

59. Шепелев A.M. Штукатурные работы Текст. / A.M. Шепелев. М.: Высшая школа, 1979.

60. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления Текст.: учебник для сред. проф. образования / В.Ю. Шишмарев. — 2-е изд., стер: — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 304 с.

61. Bergmann, J.: Lehr- und Übungsbuch Automatisierung und Prozesstechnik; Fachbuchverlag Leipzig, 1999.

62. Bock, Т., Weingärtner, H.: Innovationen auf Baustellen in Japan / Bautechnik, 1994, Nr. 2.72'. Denavit J., Hartenberg R.S. Kinematic notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices // J.Appl. Mech., Vol. 77. 1995. -P.215-221.

63. Falb P.L., WolovichW.A. Decoupling in the Design and Synthesis of Multivariable Control Systems, IEEE Trans. Automatic Control, 12, No. 6, pp. 651- 655,1967.

64. Frankenberger, A. Die im Verborgenen blühen. // Baugewerbe, 1996, № 7, S. 28-31.

65. Lüh J.V.S., Walker M.W., Paul R.P;. Resolved Acceleration Control of Manipulators // IEEE Trans. Aut. Control, AC-25. No 3. P. 486-477, 1980.

66. Paul R.C., Modeling, Trajectory Calculation and Servoing of a Computer Controlled Arm, A.I. Memo 177, Stanford Artificial Intelligence Laboratory, Stanford University, Sept. 1972.

67. Prospekt der Firma „WIRTH". 1996.

68. Steine gehen aus dem Weg. // Baumaschinendienst, 1994; №10, S. 854-858.

69. Vucobratovic K.M., Hristic S.D., Stokic M.D. Algorithmic Control of Anthropomorphic Manipulators, Proc. of V Inter. Symp. on Industrial Robots, Chicago, Illinois,September, 1975.

70. Vucobratovic K.M., Stokic M.D. Contribution to the Decoupled Control of Large-Scalc Mechanical Systems, Automática, No. 1, January, 1980.

71. Vucobratovic K.M., Stokic M.D. One Engineering Concept of Dynamic Control of Manipulators, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Trans, of the ASME, Vol. 103; No. 2, pp. 108-118; June1981.

72. Vucobratovic K.M;, Stokic M.D., Hristic S;D: A New Control Concept of Anthropomorphic Manipulators, Proc. of Second Conference of Remotely Manned Systems, Los Angeles, June, 1975.

73. Vucobratovic M., Kircansky N. Real-Time Dynamics of Manipulation Robots. Berlin; Springer Verlag.

74. Vukobratovic M. How to control robots interacting with dynamic environment, in Journal of Intelligent and Robotic Systems, 19, 1997.

75. Weißert, M. Technologische Grundlagen und Maschinenkonzepte fur einen Verputzroboter zun teilautomatisierten Auftrag von Innenputz. Fraunhofer IRB Verlag, 1998, 60 S.

76. Yuan S.-C. J. Dynamic Decoupling of a Remote Manipulator System. IEEE Trans, on Automatic Control, Vol. AS-23, No. 4, pp. 713-717, 1978.