автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение точности промышленных роботов калибровкой их параметров

РГ6 од

I ¿1 рлЛиотехн"ческп*1 ИНСТИТУТ

На правах рукописи

у

КОРЗУН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ КАЛИБРОВКОЙ ИХ ПАРАМЕТРОВ

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре автоматики и телемеханики Минского радиотехнического института

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент Кукареко Е.П.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

с.н.с., МРТИ

Суходольский A.M.

кандидат технических наук, директор НТК "Метиат" Алдакушин А.Г.

Ведущая организация Белорусская государственная

политехническая академия.

Защита диссертации состоится 10 июня 1993 года в 14 часов на заседании специализированного Совета К 056.05.01 при Минском радиотехническом институте по адресу 220027, г.Минск, ул. П.Бровки, 6, МРТИ, 1 уч. корпус

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Минского радиотехнического института

Автореферат разослан 6 мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К 056.05.01

кандидат технических наук, доцш^^'^^^^¿¿^ Пашкевич А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена разработке инженерных методов повышения точности промышленных роботов (ПР) путем аттестации их параметров и внесения соответствующих изменений в программное обеспечение (ПО) системы управления (СУ) ПР, а также разработке эффективных алгоритмов решения кинематических задач о реальном времени.

АКГУ^ЬНОСТЬТЕМЬЬ Современный этап развития гибкого автоматизированного производства характеризуется широким внедрением ПР для выполнения основных технологических операций: сварки, сборки, окраски, лазерной резки, снятия облоя и др. При этом предъявляются высокие требования к качественным характеристикам роботов. От них требуются хорошие динамические показатели, высокая точность выхода в аналитически заданное положение, высокая точность контурного движения, наличие средств адаптации к окружающей среде, а также наличие систем автоматизированного программирования. Кроме того, необходимость перенесения программ от одного образца ПР к другому, что предполагает эквивалентное представление, и выполнение программ пользователя различными роботами, требует создания аппарата для оценки (аттестации) параметров математической модели манипулятора, а также средств, позволяющих на основании проделанной аттестации вносить соответствующие изменения в программное обеспечение (калибровка).

Несмотря на то, что каждая степень подвижности манипулятора представляет собой замкнутый контур, в целом робот остается разомкнутой системой с точки зрения управления положением схвата в мировых координатах. Это приводит к тому, что погрешности изготовления и сборки манипулятора не учитываются системой управления и абсолютная погрешность робота становится значительно большей, чем погрешность повторяемости. Например, тестировавшиеся образцы роботов РиМА-560 отклонялись от заданной в мировом пространстве точки на расстояние до 5 мм, в то время как погрешность повторяемости данных ПР составляет не более 0.1 мм. С точки зрения теории управления для уменьшения абсолютной погрешности робота необходимо замкнуть обратную связь с помощью датчиков положения рабочего органа в инерциальной системе координат (СК). Однако на данном уровне развития промышленной робототехники подобная система управления представляется слишком дорогой, либо не способной работать в реальном масштабе времени. Кроме того, на ее

область применения накладываются определенные ограничения. Альтернативным подходом к повышению точности ПР является определение и учет реальных параметров кинематической модели манипулятора после его сборки на предприятии-изготовителе.

В данной работе развиваются методы повышения точности ПР за счет предварительной аттестации параметров геометрической модели манипулятора на основании предварительно проведенных измерений отклонения положения рабочего органа манипулятора от заданного и внесения соответствующих изменений в его программное обеспечение.

В настоящее время известны системы аттестации геометрических параметров манипуляторов, функционирующие как экспериментальные установки для отработки мегодоз измерения, алгоритмического и программного обеспечения. Однако для этих систем характерно применение дорогостоящего измерительного оборудования, либо, в других вариантах, они требуют постоянного участия оператора в процессе измерений. Поскольку целью разработки данных систем является их применение на заводах-изготовителях роботов, то в первом случае значительно увеличиваются накладные расходы, а во втором -увеличивается время на проведение технологической операции аттестации и при этом могут вноситься неконтролируемые субъективные погрешности измерений. В совершенствовании нуждаются также алгоритмы обработки информации и определения значений параметров модели манипулятора. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Разработать общие принципы функционирования, структуру, алгоритмическое, программное и методическое обеспечение автоматизированного комплекса, обеспечивающего повышение точности ПР аттестацией и калибровкой параметров манипуляторов. В соответствии с поставленной целью определены ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

• разработка усовершенствованных алгоритмов аттестации геометрических параметров ПР на основании измерения абсолютного положения рабочего органа манипулятора;

разработка алгоритмов аттестации геометрических параметров ПР на основании измерения положения рабочего органа манипулятора относительно плоской прямоугольной сетки точек;

• использование разработанных алгоритмов для аттестации и калибровки пяти- и шестистепенных антропоморфных ПР;

разработка структуры, алгоритмов функционирования, состава оборудования, методического и ПО автоматизированной системы

аттестации и калибровки геометрических параметров манипуляторов при различных способах проведения измерений. НАУЧИЛИ ПОНИЗИЛ РАБОТЫ:

• разработана и исследована модель системы аттестации ПР для различных способов проведения измерений и связанных с ними критериев оценки геометрических параметров манипуляторов;

• выделены группы параметров манипулятора по признаку эффективности их нахождения при различных способах организации измерений;

• определена зона проведения измерений в рабочем пространстве манипулятора, в которой количество точек измерений может быть минимизировано;

• предложен способ проведения аттестации параметров манипуляторов ПР на основе измерений положения рабочего органа на прямоугольной сетке, абсолютное положение которой не известно;

• предложен бесконтактный способ определёния положения рабочего органа манипулятора относительно контрольных тел и схема организации блока датчиков;

• разработаны алгоритмы решения кинематических задач для пятистепенного ПР в реальном времени.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

для ПР РМ-01 и Гранат-10 определен ряд параметров, калибровка которых обеспечивает значительное увеличение абсолютной точности;

разработано алгоритмическое и ПО системы аттестации и калибровки параметров манипуляторов РМ-01 и Гранат-10;

разработана методика проведения аттестации и калибровки для автоматизированного комплекса;

на основе разработанных алгоритмов проведена калибровка параметров серийных образцов ПР РМ-01 и Гранат-10;

.разработана версия ПО СУ Сфера-36, дополненная функциями поддержки проведения калибровки в составе автоматизированного комплекса;

разработано ПО СУ ПР Гранат-10 с использованием полученных алгоритмов решения задач кинематики.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы

использовались при выполненной хоздоговорных научно-исследовательских работ №87-1004/02, №89-1021/02, госбюджетных работ №91-3033, №92-3031. Практическая ценность работы подтверждается актом о внедрении на НПО Гранат.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: НТК "Автоматизация механо-сборочных процессов в машино- и приборостроении" (Севастополь, 1989), МНТК "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ" (Киев, 1989), НТК "Теоретические основы построения гибких производств и роботизация рабочих мест в условиях хозрасчета" (Харьков, 1989), ВНТК "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" (Могилев, 1989), ВНТК "Проблемы комплексной автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в прозводстве радиоэлектронной аппаратуры и вычислительной техники" (Ленинград, 1989), ВНТК "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" (Томск, 1989), II ВНТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990), II ВНТК 'Контроль, управление и автоматизация в современном производстве" (Минск, 1990), V Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1990), научно-техническом семинаре "Применение микропроцессоров, микро- и персональных ЭВМ" (Миасс, 1990), семинаре "Новые направления научных исследований в области электромеханики" (Таллинн, 1991), IFAC Workshop "Algorithms and Architectures for Real-Time Control" (Seoul, 1992).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ, из них 4 отчета по научно-исследовательской работе и 12 тезисов докладов конференций.'

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, формулировку целей и задач работы, краткое изложение диссертации по разделам.

Первый раздел посвящен обзору и анализу методов повышения точности ПР.

Применение ПР в различных технологических операциях в числе прочих требует улучшения их точностных характеристик:

• точности выхода в аналитически заданную точку пространства (абсолютной точности) не ниже 0.2...0.3 мм;

• точности контурного движения, понимаемой как минимизация огклонений действительной траектории рабочего инструмента робота от заданной, не ниже 0 3...0.5 мм;

обеспечение инвариантности или возможности настройки технологической программы для конкретного образца ПР данного типа. Улучшения точности ПР следует добиваться в направлениях:

• улучшение качества изготовления узлов ПР и точности их сборки;

• улучшение характеристик приводов степеней подвижности;

• улучшение ПО планирования траекторий;

увеличение функций ПО ПР по обработке сенсорной информации; развитие системы аналитического программирования ПР;

• коррекция параметров модели ПР в его ПО на основании комплексных измерений на предприятии-изготовителе.

На величину абсолютной погрешности и погрешности контурного движения оказывают влияние следующие факторы;

ошибки дискретного представления данных в С.У ПР;

• метод планирования траекторий в СУ ПР;

. величина периода интерполяции планирующего уровня управления;

• динамические свойства исполнительного уровня;

• погрешности кинематических передач манипулятора; погрешности изготовления звеньев и сборки манипулятора;

• субъективные ошибки обучения ПР технологической программе. Для роботов РМ-01 и Гранат-10 при скоростях движения рабочего

органа, характерных для ряда технологических операций, определяющими являются погрешности изготовления и сборки звеньев манипулятора и ошибки представления внешней среды в системе offline программирования.

Погрешность повторяемости является ограничением точности ПР и имеет статистический характер, связанный с трудно поддающимися учету возмущениями внешней среды. Для манипуляторов робота РМ-01 она составляет 0.1 мм, а для Гранат-10 - 0.15 мм.

Для известных типов ПР погрешность воспроизведения траектории значительно превышает погрешность повторяемости. Сюда входят как статическая погрешность, определяемая отличием реального робота от его модели, нежесткостью звеньев и кинематических передач, так и динамическая погрешность, величина которой зависит от динамических характеристик приводных систем.

Погрешность позиционирования в аналитически заданную точку измеряется после окончания динамических процессов, когда остаются только статические составляющие погрешности, которые определяются отличием реального робота от его модели, используемой в ПО, провисом, связанным и нежеш костью звеньев и кинематических

передач, а также некоторыми другими факторами, влияние которых не столь существенно. Для ПР типа РМ-01 ошибка выхода в аналитически заданную точку может достигать 5-10 мм.

Для измерения положения рабочего органа робота используются следующие методы определения положения ПР:

применение измерительных машин с большим объемом рабочей зоны, которые обеспечивают высокую точность, но их стоимость весьма высока;

стереотриангуляционный, при использовании которого положение рабочего органа определяется о помощью теодолитов. Недостатком является необходимость наведения теодолитов вручную;

контактный, при котором определение положения рабочего органа производится при его контакте с эталонными телами. Основными недостатками являются наличие возникающих механических усилий, а также небольшой объем рабочего пространства манипулятора, в котором можно проводить измерения;

• использование эталонного манипулятора, который механически связан с рабочим органом исследуемого робота. Недостатком данного метода является сложность производства и поверки измерительного манипулятора;

бесконтактные методы, при использовании которых в качестве измерителей используются ультразвуковые, оптические или иные типы датчиков, предоставляющих автоматизированный сьем информации.

Калибровкой робота называется процесс, позволяющий повысить точность робота без изменения конструкции манипулятора или СУ путем модификации ПО. Калибровка роботов имеет 3 уровня:

I. калибровка датчиков обобщенных координат звеньев робота;

II. калибровка кинематической модели ПР;

III. калибровка некинематических параметров звеньев.

Целью калибровки на первом уровне является обеспечение точного соответствия между перемещениями в сочленениях и показаниями, считываемыми с датчиков. Перед выполнением калибровки датчиков IIP РМ-01 и Гранаг-10 оператору необходимо вывести манипулятор в положение, при котором совмещаются риски, нанесенные на соседние сочленения манипулятора. В работе показано, что основным источником погрешности в данном случае выступает погрешность начальной установки датчиков степеней подвижности, определяемая точностью нанесения рисок на корпус манипулятора и точностью их ручного совмещения. Исследоьания показали, что эта погрешность

существенно влияет на величину абсолютной и контурной точности.

Целью калибровки кинематики является уточнение номинальной кинематической модели или ее параметров в соответствии с измерениями, проведенными для конкретного образца манипулятора.

В качестве связи между векторами внутренних и внешних координат используется аппарат матриц однородных преобразований 4x4, позволяющий получить номинальное положение X рабочего органа:

Ьлэс )'ЧГКГ п" п п 1оо1 * '

где Т"ьаэе - матрица положения основания манипулятора в инерциальной СК, матрицы Г/ описывают положение соседних звеньев относительно друг друга, Т>00/ - матрица инструмента, задающая его параметры, Яробобщенные координаты звеньев ПР, р/ - вектор постоянных параметров звена

р

,т

», а, 1(| , (2)

значения которых для ПР РМ-01 и Гранат-10 приводятся в таблице 1. _ _ _ _ ___Таблица 1

Звено а, град а, мм Т с1, мм Диапазон д

1 -90 0 | 0 -160°...160°

2 0 431.8/650.0 149.09/0.0 -223°...43о/30о... 150°

3 90 -20.31/0.0 0 -52°...2327-60°...240°

4 -90 0 433.07/600.0 -98о...170°/0°

5 90 0 0 -100°...100°

6 0 0 55.25/125.0 -268о...268°/-270°...270о

Параметры ПР РМ-01/Гранат-10

Для дальнейшего увеличения точности необходимо включение в модель и негеометрических параметров (упругость звеньев и передач, люфты). Однако процесс определения этих параметров достаточно трудоемок, кроме того, проблематичен их учет в процессе выполнения технологической программы.

При определении значений параметров требуется минимизировать разницу между измеренным Я/ и вычисленным X, положениями:

I г

К.: — Т. (X. - п.) (X. - Я ) -> пил, (3)

1 го( _ ] 1 1 ' 1

где гл - количество измерений.

Однако, если важна точность воспроизведения траектории рабочим органом манипулятора, з качество критерия может быть выбран

ziSjxs+o

Vxr

X.)' (sjXs I H-sj)Xt

► mm,

(4)

характеризующий кривизну дуги, по которой проходит рабочий орган робота между двумя обученными положениями Х3 и Х(. б/ является параметром прямой (0<з,<1). В работе предложено также использовать критерий равенства расстояний между точкам^ в модели робота действительным

(X.

x .) = d? I I/

(5)

3' •'"/

где О/у - действительное расстояние между точками \ и

При аттестации параметров манипулятора с применением критериев «2 и Кз по сравнению с К) требуется более простая система измерений относительных расстояний. Однако, как показано в разделе 2 данной работы, при их использовании возможно восстановление не всех параметров кинематической модели.

Во втором разделе рассматривается антропоморфный манипулятор (Рис. 1) о кинематикой, достаточно общей для 6-степенных роботов (РМ-01, РиМА-560, К11КА-161, СЮОЗ-ЯОМАТ), которые находят наибольшее применение в .ехнологических операциях, требующих высокой абсолютной и контурной точности. Номинальная модель,

используемая в ПО ПР, связывает его внутренние О и внешние X координаты (прямая задача кинематики, ПЗК)

X = но.р ). (6)

пот 4 '

Обратное преобразование

(обратная задача кинематики,

ОЗК) позволяет определять

значения обобщенных координат

для заданного положения

О =Р~'(Х,Р ). (7)

пот 4 '

обычно используют параметры,

Рис.1 Кинематика манипуляторов

В качестве параметров Pnom рассчитанные на этапе проектирования манипулятора. В СУ ПР для обеспечения работы в реальном времени выражения (6) и (7) представляются в замкнутой форме с минимальным числом параметров, что значительно сужает набор изменяемых параметров.

В силу ряда причин номинальная модели недостаточно полно

отражает реальный робот. Более точно манипулятор описывается моделью, имеющей большее количество параметров и которую обычно называют реальной

x = f ,(а.р .). (8)

, real real

Для увеличения точности манипулятора можно усложнить номинальную модель манипулятора, используемую в ПО ПР, и приблизить тем самым ее к реальной, однако при этом возникают сложности организации работы СУ ПР. Другой подход заключается в корректировке номинальных параметров Pnom 0 сохранением вида функциональной зависимостей (6) и (7), что до минимума сокращает объем изменений в ПО.

Для проведения аттестации манипулятора на основе измерений его абсолютного положения необходимо получить координаты рабочего органа манипулятора для ряда точек его рабочего пространства (контрольные точки). Каждой контрольной точке соответствует вектор внутренних координат манипулятора

Q = K q2 - "6 Г- (9)

который может быть считан из СУ ПР. Используя вектор О и номинальную модель манипулятора (6), можно получить номинальный вектор положения

Х = |х у z|T. (10)

С другой стороны, по результатам измерений относительно тех же контрольных точек определяется вектор положения рабочего органа манипулятора в мировом пространстве

я = |х- у zf, (11)

полученный с использованием измерительного инструмента, имеющего линейные размеры

I 1т

Xtool ~ |Х1оо1 y(ool Zlool| • (12)

В качестве вектора параметров номинальной модели выбирается

Pnom-|a2 "3 "г d4 *tool У,оо I "loot ""1 " <">б( ' <13>

в котором объединены длины манипулятора, инструмента и погрешности начальной установки датчиков.

Б качестве критерия оптимизации рассматривается критерий Kj

оценки точности выхода рабочего органа манипулятора в аналитически заданное положение

1 т

К,: — 2 (F(Ql,P)-n)^ (Р(0,,Р)-н ;-)./гт, (14)

I т : . I I

'-2 '¡ = 1

где Р- определенные в процессе аттестации значения номинальных параметров.

После необходимых преобразований выражение для нахождения приращений параметров АР для 1-ой точки измерений имеет вид:

4 ар = я.-х., (15)

I I )' к 1

где матрица чувствительности (якобиан) положения манипулятора к изменению параметров модели в ¡-ой контрольной точке. После объединения выражений (15) для всех контрольных точек приходим к системе уравнений

МР^АХ. (16)

Исследования решения (16) показали, что при испольоовании комбинаций линейных и угловых параметров в векторе АР, соответствующая матрица левой части JTJ становится зависимой от единиц измерения расстояний. Для улучшения сходимости предложено провести масштабирование элементов якобиана, т.е. в выражении (16) вместо О следует использовать матрицу

л-

(17)

е о О сНад[Ш|,т0.....те )

где Е - единичная матрица размерности, равной количеству определяемых линейных параметров, а значения поправок тр.-тц находятся из соображений присутствия соответствующих линейных параметров в выражениях для элементов якобиана. Окончательное выражение для определения поправок параметров имеет вид

АЛР^В, (18)

ш т 'Л т

г це а = е j¡^ ¿¡, в = 2- а * ах , (19)

/ £.1 I ¡=1

причем элементы матриц А и В можно формировать непосредственно по результатам проведения измерений. Введение масштабирования (17) позволило существенно улучшить вычислительные свойства системы уравнений (18). Показано, что для нахождения погрешности установки dqQ необходимо, чтобы измеритель имел достаточно

большие значения Х(00/ и Уюо1-

Предложено проводить измерения в части рабочей зоны манипулятора, в которой возможно позиционирование рабочего органа при различных конфигурациях робота (ограниченная зона, Рис.2,3), что обеспечивает существенное уменьшение числа контрольных тел при сохранении свойств частей системы уравнений (18).

Проведение измерений на прямоугольной плоской сетке точек для процесса аттестации параметров модели манипулнюра позволяет существенно упростить и удешевить измерительную систему. Контрольными точками в данном случае являются узлы прямоугольной сетки с известными расстояниями между ними.

I

-'t'Xv,

f.,

/« <; Wy ¿wv* „ ,

' ' " < sii, < 'л

" „ % x. « /

Рис.2 Верхняя часть Рис.3 Нижняя часть

ограниченной зоны ограниченной зоны

Для оценки отклонений значений параметров номинальной модели для реального робота используется критерий равенства расстояний между точками i и j в СУ ПР действительным

К- (F(QrR)-F(qj.P))T(FIQi,P)-FIQ.,P))^D^. 1,1-1. il), (20)

где Dj¡2 - квадрат действительного расстояния между i-ой и j-ой контрольными точками, m - количество контрольных точек, а выражение в левой части представляет собой квадрат расстояния ме:кду теми же точками, вычисленного по номинальной модели. После необходимых преобразований находится выражение критерия для пары то ¡';к с номерами i и j

(X. - X.)TfJ. -J.)AP = i/o? - D.? (91)

i i i j г ч ч в котором о? соответствует квадрату расстояния между точками i и j,

вычисленному с использованием ПЗК номинальной модели.

Для формирования и решения системы уравнений (21)

используется тот же подход, который был использован для критерия К;. Формируется система уравнений размерности, равной числу аттестуемых параметров

AIP-.В, (22)

Для (22) остаются справедливыми рассуждения, касающиеся решения аналогичного уравнения для критерия абсолютной точности (18).

В работе показано, что величина критерия (20) не зависит от погрешности начальной установки угла qj. Для определения поправок к координате qj следует провести ряд измерений абсолютного положения рабочего органа. Разработанный алгоритм по определению параметров манипулятора на основании измерений на прямоугольной плоской сотке точек опробован для реальых роботов.

Для предварительной оценки чувствительности критерия к изменению величины аттестуемых параметров целесообразно определить вид функции цели в сечении одного или двух параметров. В результате анализа для критерия К) показано, что для определения погрешности установки углов qß и qs необходимо применять инструмент с большими значениями параметрами xtool и У(оо1- При исследовании критерия «з (20) показано, что погрешности начальной установки угла qj не оказывают влияния на значения оптимизируемой функции. Проведен анализ влияния других параметров на величину критерия. Примеры приводятся на рис. 4 и 5.

4-

Л

¡Г--"

1

'f&Vfr -л

Рис.4 Область параметров 02^4 Рис.5 Область параметров qj-q3

Для моделирования процесса аттестации и калибровки необходимо иметь реальную модель манипулятора, связи между СК которого описываются полным набором параметров (тремя линейными - а, б, д и тремя угловыми - q, а, />)

cci,-s-Vo sca csn 1 ''''(1si) nc"os!

r(q)=SCb,CVb cca ssb ИЛ as,0L1 (23)

-с s, s со, t)

n tj я a b

О О О 1 I

где c=cos(q), s=sin(q), cB-cos(a), sa=s¡n(a), Cb=cos(fl), S£,=s¡n(/J).

При попытке использования реальной модели в ПО СУ ПР существенно усложнятся расчеты, которые необходимо проводить в реальном времени. Одним из возможных путей уменьшения размерности реальной модели является отыскание и исключение параметров, являющихся линейной комбинацией некоторых базовых (номинальных) параметров. Аналитическое отыскание линейно зависимых параметров реальной модели трудно осуществимо, поэтому проведена серия численных опытов по определению чувствительности парамегрст номинальной модели к изменению параметров реальной модели. Это позволяет выделить следующие группы параметров реальной модели:

I. Параметры, входящие в номинальную модель;

II. Параметры реальной модели, погрешности которых полностью не компенсируются изменениями номинальных параметров;

III. Параметры реальной модели, пофешности которых полностью компенсируются изменением одного из номинальных параметров и поэтому не могут быть идентифицированы;

IV. Погрешности оставшихся параметров реальной модели полностью компенсируются изменением более, чем двух параметров первой группы и тоже не могут быть определены в процессе аттестации.

Определен минимальный набор параметров реальной модели, определяем.,1й объединением параметров первых двух групп и для него найдены соответствующие выражения для матриц перехода (23).

В третьем......разделе рассматриваются способы организации

автоматизированных процессов аттестации и калибровки геометрических параметров антропоморфных ПР РМ-01 и Гранат-1 ) длл различных случаев организации измерений.

Автоматизация процесса возможна при использовании: бесконтактных измерений положения рабочего органа;

• коррекции положения измерителя;

автоматического формирование программы движения робота;

• специализированного программного комплекса по обработке

измерительной информации и управлению процессом аттестации и калибровки.

Для проведении аттестации и калибровки по критерию абсолютной томности (3) структурная схема автоматизированной системы имеет вид (Рис 6). В данной системе на опорной плите устанавливается калибруемый манипулятор, в рабочей зоне которого располагаются контрольные объекты в виде кубов. Абсолютное положение кубов может меняться, но перед проведением процесса аттестации должно быть определено в базовой системе координат, связанной с спорной плитой.

На время проведения аттестации и калибровки в роботе используется система программирования, модифицированная под задачи аттестации и калибровки. СУ осуществляет обмен с управляющей ЭВМ по последовательному интерфейсу на уровне команд языка программирования ПР. Управляющая ЭВМ производит расчеты по коррекции положения измерительного органа в виде объемного трехгранника с взаимно перпендикулярными сторонами (трихидрона) относительно куба. По окончанию измерений управляющая ЭВМ производит расчеты аттестуемых параметров.

Рис. 6 Структура системы и измерительный орган

Датчики в трихидроне формируют сигналы, которые позволяют определить матрицу RnieaS' описывающую относительное полохсение трихидрона и куба. Действительное положение робота В в этом случае определяется

я = я"' -я . .я-1 , (21)

base cube meas

где ЯсиЬе находится по результатам измерений координат троек точек

на трех прилегающих плоскостях куба с помощью измерительной машины, a fijase соответствует положению основания манипулятора относительно тестовой плиты.

При автоматическом формировании программы по соображениям безопасности преобразование Rcube не может быть выбрано в качестве целевой точки для робота, поэтому вводится преобразование О системе координат куба, описывающее желаемую матрицу измерений О. Тогда матрица целевой точки имеет вид

' (25)

Коррекция положения датчиков относительно куба необходима для получения достоверных измерений и сводится к тому, чтобы соответствующие грани трихидрона и куба стали параллельными; •

■О'1, (26)

IIIOUS

где верний индекс соответствует номеру итерации коррекции.

При использовании измерений на прямоугольной плоской сетке точек предложена структура, изображенная на Рис. 7.

fe ¿32

X _ Я , D

cubo

С0И) = ЯИ>.Й(1>

Рис 7. Структура системы и измерительный орган

В качестве измерительного стенда используется плоскость о контрастными метками. В схвате Г1Р укреплен крестообразный измерительный орган, состоящий из фотоэлектрической бинарной матрицы в центре и 4 волоконно-оптических датчиков близости. После обучения манипулятора четырем крайним точкам планшета внешняя ЭВМ формирует программу движения к- промежуточным точкам в терминах языка СУ ПР. Из-за несоответствия используемой в ПО модели реальному ПР его манипулятор выходит лишь в окрестность этой точки. Поэтому применяется алгоритм коррекции, заключающийся

в том, что плоскость датчика устанавливается параллельно плоскости плиты, а контрастное пптно, соответствующее контрольной точке, выводится в необходимое место фотоэлектрической матрицы. При достижении этих условий СУ ПР передает во внешнюю ЭВМ обобщенные координаты контрольной точки. Фактически положения манипулятора фиксируются в точках, в которых оптические оси датчиков направлены по нормали к поверхности, а сами они располагаются на равных расстояниях от нее. В работе приводится алгоритм определения положения манипулятора относительно тестовой плоскости и итеративный способ коррекции этого положения.

Робот Гранат-10 является пятистепенным и отличие его кинематической схемы от приведенной на Рис. 1 состоит в отстутствии четвертой степени подвижности, что приводит к ограничению достижимой ориентации манипулируемого объекта. При этом возникают особенности решения его ОЗК. В работе получены выражения для ПЗК ПР Гранат-10, позволяющие в замкнутой форме определять выражения (6) для заданного набора обобщенных координат.

При решении ОЗК для манипулятора Гранат-10 используется геометрический подход, требующий минимальных вычислительных ресурсов. Следует учитывать, что пять степеней подвижности ПР Гранат-10 не всегда могут обеспечить требуемую ориентацию вектора инструмента. При программировании методом обучения рабочие точки имеют ориентацию инструмента, которую робот способен обеспечить, и проблем с решением ОЗК не возникает. Если же программирование производится аналитически, то очень сложно определить заранее совместность углов ориентации рабочего органа. При решении ОЗК при движении с линейной или круговой интерполяцией во внешних координатах приоритет отдается сохранению координат позиции при определении ближайших возможных координат ориентации. В работе описан алгоритм решения ОЗК с предварительной коррекцией ориентации инструмента. Исследования данного алгоритма на реальном роботе показали, что количество итераций коррекции не превышает пяти для самых неблагоприятных случаев. Время решения в СУ Сфера-ЗбМ (процессор К1801ВМ2) составляет 15 мс (при пяти итерациях коррекции), максимальная погрешность расчета 0.25 мм.

В четвертом разделе рассматривается автоматизированная система аттестации и калибровки ПР РМ-01 и Гранат-10, использующая измерения на прямоугольной плоской сетке точек.

В состав оборудования входят:

1. тестируемый манипулятор РМ-01 или Гранат-10 с СУ ПР Сфера-36 и Сфера-ЗбМ. Указанные СУ предоставляют возможность пользователю осуществлять программирование робота аналитическим методом. В состав сервисного оборудования входят накопитель на гибких дисках, дисплей и клавиатура, пульт ручного управления. Имеется последовательный канал для связи с внешней ЭВМ.

2. металлическая плита с квадратной сеткой калиброванных отверстий, Положение которой может изменяться и фиксироваться.

3. управляющая ЭВМ - IBM-совместимый компьютер с сопроцессором и имеющий 2 последовательных порта для связи с СУ Сфера-ЗБ и с устройством обработки информации от датчиков, а также принтер для выдачи результатов оператору.

4. устройство обработки информации от датчиков на базе МП КР580ВВ80, объем ПЗУ 4К, ОЗУ - 4К. Связь с управляющей ЭВМ осуществляется по трехпроводной линии. Для определения координат используо ся матричным фотоприемник 16*16 элементов. Расстояние между центрами соседних фотоячеек составляет 0.15 мм, а размер фоточувствительной области одного элемента матрицы (0.1*0.1) мм.

Общий алгоритм работы автоматизированной системы аттестации и калибровки параметров ПР включает следующие шаги:

1. Диагностика системы.

2. Настройка на конкретный образец манипулятора.

3. Калибровка датчиков близости.

4. Настройка оптики и размеров пятна точки в поле матрицы.

5. Формирояание программы обхода точек тестовой плоскости.

6. Обход точек тесювых прямых при проведения аттестации.

7. Проведение апеслации и выдача результатов.

8. Проведение калибровки робота.

9. Повторный проход робота по точкам тестовых прямых.

Для обеспечения работы СУ ПР в автоматизированной системе аттестации и калибровки параметров манипуляторов разработаны и введены в состав ее ПО привилегированные команды:

1. Команда передачи файла во внешнюю ЭВМ AU' МЭ

2. Команда получения файла от внешней ЭВМ AST1 RE

3. Команда передачи ЭВМ текущего положения робота AWH RE

4. Команда изменения координат указанной точки ACHAI GE

5. Команда передачи во внешнюю ЭВМ координат точек ALLIST

6. Команда установки длин звеньев манипулятора робота ALENGTHS

7. Команда установки начальных смещений углов AANGLES

Программная оболочка управляющей ЭВМ в виде интегрированной среды построена в виде меню (Рис. 8)___

Settinqs Calibration Teaching Execute Results

_____Robot___ Matrix __Sejrsors Interface Workspace ___Matrix__ Sensors Corner points Correction ARPS Show

Program Print

Test

Рис.8 Состав меню

Данная оболочка реализует описанный выше алгоритм работы автоматизированной системы аттестации и калибровки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе приведены результаты разработки математических методов, алгоритмического и ПО для аттестации и калибровки геометрических параметров манипуляторов ПР. Оборудование, входящее в состав автоматизированной системы является достаточно дешевым и доступным, а алгоритмы позволяют сдепать измерения бесконтактными и максимально автоматизировать процесс аттестации и калибровки.

Таким образом:

1. Разработан алгоритм аттестации геометрических параметров ПР на основании измерения абсолютного положения рабочего органа манипулятора. Определены параметры, значения которых целесообразно идентифицировать при проведении аттестации. Проведена редукция реальной модели кинематики манипулятора. Введено понятие ограниченной зоны, проведение измерений в которой возможно при значительном уменьшении числа контрольных тел. Предложен алгоритм определения положения манипулятора с использованием бесконтактных датчиков и алгоритм коррекции этого положения.

2. Разработан алгоритм аттестации геометрических параметров ПР на основании измерения положения рабочего органа манипулятора на плоской прямоугольной сетке точек. 3 качестве целевой функции рассматривается критерий равенства расстояний между точками в модели манипулятора действительным. Проведен анализ пространства параметров и выделены параметры, значения которых целесообразно определять при данном способе проведения измерений. Предложена структура блока датчиков и соответствующий алгоритм определения и

коррекции положений манипулятора.

3. Разработанные алгоритмы применены для аттестации и калибровки пяти- и шестистепенных антропоморфных ПР. Для пятистепенного манипулятора решены и реализованы в ПО СУ кинематические задачи, работающие'в реальном времени.

4. Разработана структура, состав оборудования, алгоритмическое и ПО автоматизированного комплекса по аттестации и калибровки ПР РМ-01 и Гранат-10.

5. Результаты исследований и разработок внедрены в произЕодство и использованы при проектировании системы аттестации и калибровки, что подтверждается актами о внедрении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Корзун А.Н., Кукареко Е.П., Мухин А.Ю., Лашкепич А.П., Сушкевич И.В. Калибровка промышленных роботов. - Минск, БелНИИНТИ, 1990.

2. Корзун А.Н., Кукареко Е.П. Идентификация геометрических параметре« промышленных роботов. - Р11диопроглиитеннос'1ь..М71 1991.

3. Корзун Л.Н., Мухин А.Ю., Кукареко Е.П. Про(раммни-ашшратный комплекс калибровки промышленных роботов. Тезисы докладов II ВНТК "Микропроцессорные системы автоматики" Новосибирск, 1990.

4. Корзун АН., Мухин А.Ю., Назаров И.В. Идентификация кинематических и динамических параметров антропоморфного манипулятора. - Тезисы докладов международной НТК ''Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ" Киев, 1989.

5. Корзун А.Н., Мухин А.Ю., Пашкевич А.П. Автоматизированное рабочее место для аттестации геометрических параметров манипуляторов. - Тезисы докладов ВНТК "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" - Томск, Радио и связь, 1989.

6. Корзун АН., Мухин А.Ю., Пашкевич А.П. Метод аттестации геометрических параметров антропоморфных манипуляторов - Тезисы докладов ВНТК "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" Могилев, 23-25 мая 1989. - Могилев, 1989.

7. Е.Кукареко, А.Пашкевич, А,Корзун. Алгоритм решения обратной кинематической задачи для робота "Гранат-10"- "Новые направления научных исследований в области электромеханики" - Таллинн, 1991.

8. Кукареко Е.П., Корзун А.Н. Идентификация геометрических параметров промышленных роботов. - - Тезисы докладов ВНТК "Проблемы комплексной автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в производстве радиоэлектронной аппаратуры и

вычислительной техники", Ленинград - М.:Радио и связь, 1989.

9. Кукареко Е.П., Корзун А.Н. Повышение абсолютной точности манипуляторов антропоморфного типа калибровкой их параметров-Тезисы докладов конференции "Автоматизация механосборочных процессов в машино- и приборостроении" 16-18 марта. Москва - 1989.

10. Кукареко Е.П., Корзун А.Н. Повышение абсолютной точности промышленных роботов антропоморфного типа. - НТК "Теоретические основы построения гибких производств и роботизация рабочих мест в условиях хозрасчета" Харьков, 1989.

11. Кукареко Е.П., Корзун А.Н., Пашкевич А.П. Программное обеспечение системы калибровки промышленных роботов. - V Всесоюзное совещание по РТС, Геленджик - М., 1990.

12. Исследование существующих алгоритмов управления исполнительным уровнем сборочных роботов: Отчет о НИР / Мин. нар. образ. БССР. МРТИ. 87-1004/02, 1987.

13. Разработка методики аттестации геометрических параметров сборочных роботов: Отчет о НИР, тема 87-1004/02 - Министерство народного образования БССР, Минск, 1988.

14. Разработать программное обеспечение аттестации геометрических параметров манипуляторов. Интерпретатор языка АИРБ для моделирующего комплекса: Отчет о НИР, тема 89-1021/02 • Министерство народного образования БССР, Минск, 1989.

15. Разработать структуру, алгоритмы фунционирования, программное обеспечение систем адаптивного, управления промышленными роботами и технологическим оборудованием: Отчет о НИР, шифр темы 87-1004 - Министерство народного образования БССР, Минск, 1988.