автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Транспортные и манипуляционные системы мобильных робототехнических комплексов для экстремальных условий

РГ5 ОД 1 6 Ь!ДР

На правах рукописи

ВОЙНОВ Игорь Вячеславович

ТРАНСПОРТНЫЕ И МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Специальность 05.13.07-Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск 1998

Работа выполнена в Научно-производственном объедин электромеханики и на Уральском автомобильном заводе, г.Миасс

Официальные оппоненты : Доктор физико - математических наук, профессор С.Л.Зенкевич

Доктор технических наук, профессор Л.С.Казаринов

Доктор технических наук, профессор А.Л.Кемурджан

Ведущая организация :

Центральный научно-исследовательский институт робототехник! технической кибернетики, г.С.-Петербург

Защита состоится 1998 года в /¿г часов

заседании диссертационного совета Д053.13.06 Южно-Уральс Государственного Университета по адресу : 454080, г. Челяби пр.Ленина, 7 6, ауд.№

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральск Государственного Университета.

Автореферат разослан " " ¿рв&рг?ЛЯ 1998г. Ученый секретарь М.Н.Устю

диссертационного совета, доктор технических наук, профес

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных на-равлений автоматизации производственных процессов является ис-ользование роботов и манипуляторов различного назначения. Сущест-енный вклад в решение теоретических проблем робототехники внесен течественными научными коллективами МГТУ им.Н.Э.Баумана, ИПМ м.М.В.Келдыша РАН, Института машиноведения им.А.А.Благонравова АН, ИППИ РАН, ИПУ, МИРЭА, СПбПИ, СПбИИАН, Мосстанкин, ЮУрГУ и др. од руководством Е.П.Попова, Д.Е.Охоцимского, И.М.Макарова, .В.Фролова, С.В.Емельянова, В.М.Пономарева, Ю.М.Соломенцева, .П.Вяткина и др.

Чрезвычайно важной сферой применения роботов являются экстре-альные среды, т.е. среды, в которых нахождение человека невозмож-о или нецелесообразно (слабоорганизованная и недетерминированная реда с вредными факторами: температура, давление, радиоактив-ость, отравляющие вещества и т.д.), в том числе на объектах атом-ой энергетики, в шахтных условиях, но зараженной местности, при аботах в космическом пространстве и под водой.

Если в отдельных направлениях создания промышленных роботов .остигнуты достаточно высокие результаты - выпущен ряд монографий, чебников, спроектировано и внедрено большое количество роботов азличного назначения, то состояние в области разработки и иссле-;ования мобильных робототехнических комплексов (РТК) для экстре-¡альных сред характеризуется значительно более низким уровнем изу-енности. Это связано, в первую очередь, со сложностью задачи, .ействительно, РТК является сложной системой в том смысле, что со-;ержит большое количество подсистем: транспортную и манипуляцион-ую системы, систему технического зрения, систему управления робо-ом и т.д. Все эти подсистемы взаимодействуют друг с другом как в 1еханическом смысле, так и в информационном, при этом технические арактеристики подсистем существенно коррелированы друг с другом, омимо этого, необходимость функционирования в экстремальных сре-;ах ставит ряд повышенных требований не только к элементной базе, о и к функциональным возможностям системы, состоящим, в частно-:ти, в способности мобильного РТК выполнять различные технологиче-

ские операции в недетерминированной среде в полуавтоматическом, иногда и в автоматическом режимах.

Работы, проведенные в ГосИФТП, МГУ, МГТУ, ЦНИИРТК, НИКИМ ВНИИТрансМаш, МИФИ, НПОэ и ряде других предприятий и организаи позволили практически реализовать и испытать отдельные образцы I и входящих в его состав подсистем, узлов и блоков. Вместе с 1 отсутствие единой концепции, четкой координации работ, методолог проектирования и организации производства не позволяют приступи к серийному выпуску аппаратов с необходимыми характеристиками оснащению ими созданных аварийно-технических центров. В связи потенциальной опасностью действующих и строящихся объектов атомн энергетики данная задача представляется весьма важной и актуал ной.

Цель работы заключается в разработке унифицированных тран портных и манипуляционных систем (МС) мобильных роботов, оснаще ных системами управления, для выполнения разведывательных и р монтно-восстановительных работ в экстремальных средах (в частн сти, внутри инженерно-технических сооружений АЭС), развитии теор тических методов проектирования, разработке эффективных алгоритм и синтезе систем управления, экспериментальных исследованиях о дельных элементов, подсистем и РТК в целом.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполаг ет решение следующих задач:

1. Анализ общих и специальных требований как к системе в цело так и к входящим в ее состав подсистемам, определение методолог проектирования.

2. Разработка методов проектирования базового подвижного моду (БПМ), основанных на предъявляемых технических требованиях и вкл чающих разработку и исследование кинематических и динамических м делей движения модуля по заданному рельефу.

3. Разработка методов проектирования многозвенных манипулят ров, устанавливаемых на подвижном модуле и имеющих с последним к: нематические и информационно-управляющие связи и взаимодействия.

4 . Формирование структуры и определение функций, выполняем: управляющими и информационно-измерительными подсистемами, включ средства внутреннего и внешнего очувствления транспортных и ман; пуляционных систем РТК.

5. Развитие методов конструирования и алгоритмов управления ранспортными и манипуляционными системами РТК.

6. Проведение экспериментальных исследований и испытаний опыт-эго образца мобильного робототехнического комплекса.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные иссле-ования базируются на использовании методов механики, теории правления, информатики, моделирования. Кроме того, для подтвер-дения полученных теоретических результатов и эффективности разра-отанных и используемых методов проектирования была проведена се-ия экспериментальных исследований реального мобильного робота, пособного функционировать в экстремальных средах.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы вклю-ает в себя следующие научные результаты:

1. Сформулированы методологические принципы, этапы и задачи роектирования мобильных робототехнлческих комплексов, предназна-енных для работы в экстремальных условиях. Проведена декомпозиция ТК на подсистемы, среди которых выделены основные объекты иссле-ования - транспортные и манипуляционные подсистемы.

2. Разработаны принципы построения и математические модели ба-ового подвижного модуля с изменяемой геометрией ходовой части, читывающие его кинематические и динамические характеристики. Ки-

I

ематические модели позволяют получить ряд параметров, используе-ых далее при проектировании многозвенных манипуляторов, а динами-еские модели используются для проектирования приводов гусеничных одулей и синтеза локальных систем управления.

3. Сформулированы методологические принципы проектирования мно-озвенных манипуляторов с шарнирами вращательного типа на лодвиж-ом основании. Для выбранной кинематической схемы МС указаны наи-олее эффективные алгоритмы и методы кинематического и динамиче-кого анализа, положенные в основу построения инструментальных редств проектирования в среде САПР. Расчеты, проведенные с ис-ользованием указанных инструментальных средств, позволяют сформу-ировать требования как к конструкции исполнительных механизмов, ак и к элементам системы приводов подвижных сочленений. Выполне-ие указанных требований обеспечивает, с одной стороны, реализацию ребуемого вектора проектируемых параметров, а с другой стороны -кономные в вычислительном смысле алгоритмы управления МС.

4. Разработан метод статического уравновешивания звеньев M позволяющий упростить уравнения динамики многозвенных механизмо снизить нагрузки на приводах и, следовательно, облегчить проце проектирования приводов в части обеспечения требуемых динамическ характеристик.

5. На основе предложенных методов статического и динамическо уравновешивания, позволяющих существенно упростить уравнения дин мики, разработаны алгоритмы синтеза адаптивных ПИД-регулятор приводов подвижных сочленений манипулятора.

6. Исследованы копирующий и полуавтоматический режимы управл ния движением МС. Для режима управления по скорости синтезирова регуляторы приводов и разработаны алгоритмы оптимизации уставо показаны преимущества комбинированного способа управления, обесп чивающего наиболее высокие показатели качества.

7. Разработаны принципы конструирования БПМ с изменяемой ге метрией ходовой части, обеспечивающие минимальные массо-габаритн характеристики и наличие встроенных в гусеничные движители авт номных систем управления в сочетании с достаточным тяговым усил ем, высокой линейной скоростью, маневренностью и проходимостью рельефам различного профиля.

8. Разработаны принципы конструирования многозвенных манипул торов на подвижном основании, позволяющие при выбранной кинемат ческой схеме и заданных условиях эксплуатации обеспечить высок удельную грузоподъемность, большой диапазон изменения углов в с членениях, высокую точность позиционирования и пониженные энерг затраты приводов в сочетании с широким диапазоном линейных и угл вых скоростей перемещения схвата.

Практическая значимость. Итогом диссертационной работы явл ются спроектированные и изготовленные транспортные и манипуляцио! ные системы, включенные в состав радиационно-стойкого мобильно: робототехнического комплекса, способного функционировать в экстр! мальных условиях. Практическая значимость работы состоит в toi что полученные результаты могут быть использованы при создан! класса мобильных робототехнических комплексов, а также их подси( тем и отдельных элементов. Так, в частности, разработана и изп товлена автоматизированная система контроля инструментальных п< грешностей статоров и роторов поворотных трансформаторов, позв(

гсяющая на ранних стадиях изготовления отбраковать элементы, не збеспечивающие выполнения заданных требований к РТК по точности.

Двтор защищает методологию проектирования определенного класса мобильных РТК для работы в экстремальных условиях, математические модели и результаты моделирования транспортных и манипуляци-энных систем роботов с учетом их взаимосвязей, методы повышения эффективности расчетно-конструкторских работ и качества управления РТК в режиме реального времени, структуру и алгоритмы функционирования систем управления, принципы конструирования и результаты экспериментальных исследований и испытаний отдельных элементов, юдсистем и РТК в целом.

Работы по указанному направлению велись с 1989г. в рамках госбюджетных научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра-Зот, Генеральными заказчиками которых являлись Минатомэнерго и Миннауки, а заказчиком - Государственный институт физико-технических проблем.

Дпробация работы. Основные положения диссертации докладыва-тись и обсуждались на научно-техническом совете в НПО электромеха-шки (г.Миасс, 1991г.), на научных конференциях Уральского отделе-шя АН (г.Миасс, 1991, 1995гг.), на научно - техническом совете 1НТК "Прогресс" (г.Москва, 1991г.), на заседаниях научно-■ехнических секций в ИФТП (г.Москва, 1991-96гг.) и НИКИМТ [г.Москва, 1991-94гг.), на IV научно-технической конференции 'Робототехника для экстремальных условий" в ЦНИИРТК (г.С.-1етербург, 1993г.), на научном семинаре в ИПМ РАН (г.Москва, 996г.) .

Опытный образец РТК прошел испытания на полигоне фирмы КНС Германия, 1995г.), на предприятиях НПО электромеханики и ИФТП 1993-97г.г.), видеоматериалы представлялись на выставках новых ■ехнологий России в Ю.Корее (1994г.) и Норвегии (1993г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 рабо-ы, получено А патента и 19 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ия, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений, бший объем работы составляет 301 страницу, в том числе 215 стра-иц машинописного текста, 127 иллюстраций на 86 страницах, 10 таб-

лиц и список литературы из 128 наименований. В качестве приложе 1 представлен акт внедрения результатов работы.

Диссертационная работа обобщает опыт работы автора в обла разработки мобильных робототехнических комплексов для экстрема ных условий, их изготовления и опытной эксплуатации. В проце работы также использовались научные и практические результаты, лученные автором в 1972-91г.г. по созданию прецизионных преобра вателей угловых перемещений в цифровой код, разработке, исследо нию и эксплуатации промышленных роботов, гибких производствен модулей и систем в механообрабатывающем и микроэлектронном про! водстве.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ АНАЛИЗ ОБОБЩЕННЫХ ТРЕБОВАНИЙ К РТК

Послеаварийная ситуация на объектах атомной энергетики, 1 показала практика работы на Чернобыльской АЭС, характеризуем следующими основными параметрами:

1. Частичным или полным разрушением зданий, сооружений, ком», никаций, технологического оборудования, машин и механизмов, сист связи, контроля, диагностики и управления.

2. Загроможденностью территории снаружи и внутри аварийнс объекта обломками конструкций, застывшей смолой и лавой.

3. Высоким уровнем радиоактивного ионизирующего излучения.

4. Высокой температурой, загазованностью и запыленностью отдельных участках объекта, в помещениях и на местности.

5. Неопределенностью возникшей послеаварийной ситуации, вкл чая возможность ее дальнейшего изменения.

Следовательно, для решения задачи ликвидации последствий ав

рии непосредственно на АЭС должны использоваться автономные РТ

обладающие некоторой совокупностью необходимых характеристик, на более значимыми из которых являются:

1. Возможность перемещения по некоторому, заранее не полн стью определенному маршруту (транспортная функция).

2. Возможность преодоления различных препятствий.

3. Высокая жизнеспособность РТК, включая стойкость к радиоактивному излучению и способность работы на открытой местности и знутри объекта при различных климатических условиях.

А. Широкие функциональные возможности РТК, сочетающие инспекционные функции сбора и первичной обработки информации с исполнительными функциями манипуляторов для проведения различных технологических операций.

В работе проведен аналитический обзор дистанционно-/правляемых систем и РТК различного назначения для выполнения ши-эокого спектра работ, включая техническую и радиационную разведку, дезактивацию местности, разрушение бетона и металла, разборку за-залов, пожаротушение и т.д.

На основе анализа современного состояния теории и практики гоздания мобильных РТК сформулированы обобщенные требования, 1редъявляемые к системам данного класса, и определены этапы работ, 1меюшие своей целью разработку и исследование новых образцов наукоемкой продукции для работы в экстремальных условиях.

КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РТК. ДЕКОМПОЗИЦИЯ НА ПОДСИСТЕМЫ

В диссертационной работе описана концепция проектирования ;истем рассматриваемого класса, которая является конкретизацией

I

:уществующих концепций проектирования сложных технических систем, относящихся к классу мехатронных систем. Эта концепция состоит в зыполнении определенной последовательности этапов, таких, что результат, получаемый по завершении каждого этапа, используется сле-зующим этапом в качестве исходных данных. Результат работы послед-)его этапа (в случае его успешного выполнения) и является решением задачи проектирования системы в целом.

Первый этап состоит в формировании цели проектирования без 'казания способа ее достижения. Второй этап состоит в декомпозиции фоектируемой сложной робототехнической системы на подсистемы и юрмировании соответствующих технических требований к ним. Такой юдход является, пожалуй, единственно возможным в настоящее время :пособом проектирования сложных технических систем. В этом случае южно осуществить не только сепаратное проектирование подсистемы согласованное в известной степени с остальными модулями сложной :истемы), но и использовать полученные результаты, которые могут

иметь самостоятельное значение для широкого круга приложений. I лее в отношении каждой из подсистем выполняются единообразные методологическом смысле (но отличающиеся по используемым математ ческим средствам) процедуры проектирования. Эти процедуры час могут быть запараллелены, но всегда они связаны друг с друге Здесь осуществляется поиск общей схемы построения каждой из пс систем: анализ существующих прототипов, формирование облика пс системы, ее структуры и принципов взаимодействия составных чаете Затем создаются математические модели подсистем (для систем ра сматриваемого класса это механико-математические модели), которы во-первых, параметрически включают весь спектр возможных вариант построения подсистем, рассматриваемых на этом этапе, и, во-вторы позволяют получить ряд характеристик, представляющих интерес д смежных подсистем или для некоторых элементов рассматриваемой по системы (в том числе для систем управления). Этот этап фактичес представляет собой разработку математического обеспечения процед ры проектирования подсистемы. Следующий этап состоит в разработ соответствующего пакета прикладных программ (либо в настройке у существующих оболочек САПР), который играет роль инструмента пр ектирования подсистемы. Последующий этап состоит в выполнении ит рационной процедуры обеспечения требуемого вектора проектируем параметров. Этот этап может завершиться либо удовлетворением вс требований к проектируемой подсистеме, либо возвратом на бол ранние этапы проектирования в случае принципиальной невозможное обеспечения некоторых требований.

В рамках описанной концепции осуществляется декомпозиция м бильных робототехнических систем на следующие подсистемы:

- базовый подвижный модуль (БПМ)с системой управления движением и изменяемой геометрией ходовой части;

- манипуляционный модуль с двухуровневой системой управления

- другие технологические модули;

- рабочее место оператора (пункт управления);

- системы коммуникации, связи, энергообеспечения и т.д.;

- управляющие и информационно-измерительные подсистемы;

а также определяется функциональное назначение подсистем и свя: между ними, оказывающие влияние на проектирование.

Главное внимание в диссертации уделяется разработке транс-эртных (БПМ) и манипуляционных систем РТК, что обусловлено, в начительной степени, их определяющим влиянием на формирование ос-овных параметров системы в целом, недостаточным уровнем техниче-ких характеристик известных аналогов, а также высокой наукоемко-гью и сложностью практической реализации рассматриваемых полелеем .

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА, РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ БПМ

БПМ предназначен для доставки в зону работ комплекса необходи-ого оборудования, выполнения определенной последовательности опе-аций и возвращения в заданный пункт. Являясь транспортным средст-ом высокой проходимости с дистанционным управлением, БПМ одновре-енно:

- является несущей конструкцией для размещения и закрепления на го внешних поверхностях технологического и специального оборудо-ания, аппаратуры и различных грузов;

- осуществляет энергоснабжение установленных на нем агрегатов и истем;

- обеспечивает информационную связь между пультом управление и

I

ортовым оборудованием.

Облик БПМ в целом определяется обликом приборного контейнера учетом возможности установки на нем различного оборудования, а акже типом и конструкцией шасси, причем следует иметь в виду Еза-мное влияние указанных компонентов БПМ. Выбор типа движителя и хемы шасси основываются на анализе условий движения, заданных ксплуатационных качествах и габаритно-массовых характеристиках, ри выборе типа движителя проводится сравнение различных вариантов о проходимости и маневренности.

Далее рассмотрены различные математические модели БПМ. Рзз-аботка полной математической модели БПМ, учитывающей кинематиче-кие и динамические характеристики модуля, параметры приводов, а акже движение по произвольному рельефу, является весьма сложной и е всегда целесообразной задачей. В диссертации предложено постро-

ить и использовать несколько моделей, обеспечивающих решение ра личных задач проектирования:

1. Динамические модели, используемые для параметрического пр< ектирования тяговых приводов гусеничных движителей (ДГ) (в перв; очередь, для синтеза регуляторов систем управления). Эти моде, детально учитывают силовые факторы, влияющие на ДГ в процессе дв> жения или изменения геометрии БПМ, а также структуру и парамет] двигателей, редукторов, тахогенераторов, гусеничных лент, сист< управления и т.д., тогда как характеристики рельефа практически ] учитываются. Использование других динамических моделей, учитыва! щих силовые факторы, влияющие на БПМ в процессе движения, позвол; ет определить линейные и угловые скорости при движении БПМ ] плоском рельефе с различными углами наклона, вычислить время ра: гона, торможения и т.д.

2. Кинематические модели, используемые, в частности, для лс лучения исходных данных для проектирования МС. Эти модели позвол) ют получить кинематические параметры БПМ при его перемещении I произвольному рельефу. Необходимость учета взаимосвязей подсистег определенных в результате декомпозиции, приводит к тому, что П£ проектировании исполнительного органа МС, расположенного на ЕГО используются в качестве исходных данных те линейные и угловые скс рости и ускорения, с которыми движется БПМ, а следовательно, и ж« стко закрепленное на нем основание многозвенного манипулятора, целью определения указанных параметров в диссертации разработар кинематические модели движения БПМ по заданному плоскому рельефу.

Пусть БПМ движется по цилиндрической поверхности у=у(х) в н; правлении, перпендикулярном образующим цилиндра (рис.1). Если счр тать, что рельеф недеформируем и платформа недемпфирована, то не трудно видеть, что точки А и В движутся по внешней (по отношению у(х)) эквидистанте, параметрическое представление которой имеет В1< р=с(о) (или г=е(ц)), где в качестве параметров и и ц может быть вь брано либо время, либо длина соответствующей дуги. Тогда задач состоит в том, чтобы найти линейные и угловые скорости и ускорен:-системы координат ОцХцУц2к, связанной с БПМ и являющейся базовс системой координат для манипулятора (или связанной с ней постоян-

ным преобразованием), при заданном движении точки Оя=В и при уело вии, что координаты точек А и В принадлежат эквидистанте.

Пусть матрица поворота Я = ( Хц уи 7.% ) и вектор р характеризую ориентацию и положение связанной системы ОцХцУц£ц относительно аб солютной системы ОоХоУо^о, где Х|*, ун, гя - орты системы координа ОяХнУн^ц. В диссертации показано, что если в качестве параметров и (I выбрано время (и = 1, ц = т) , то линейные скорость V и ускорение определяются соотношениями: V= ё, а = ё, а угловые скорость ю ускорение б ищутся следующим образом:

(0 = 1/2(х„хх„ +У„ху„), е =1/2 (х„ххк + укху„),

где хц = (е (т)-е Ц) )/Ь, ук = Кс^хц, а скаляр т ищется как решени дифференциального уравнения:

(е(т)-е(1) )т(е'т(т) т -ё (I) )= О с начальным условием То, являющимся решением уравнения: <е {"Со) -с (1о) )т (с (то) -с Но) ) =Ь2

В качестве примеров рассмотрены случаи движения БПМ по про извольной поверхности и приведены результаты моделирования с ис пользованием пакета программ МАТНСАО. При этом изменение геометри БПМ задано изменением его базы Ц^. Несмотря на относительную про стоту принятой модели, полученные соотношения позволяют в извест ной мере учесть механическую связь двух подсистем (БПМ и располо женного на нем манипулятора).

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МС.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА

Приведена концепция проектирования манипулятора как подсистем РТК, которая является конкретизацией общей концепции, учитывающе специфику проектируемой подсистемы. Целью данного этапа являете определение наиболее эффективных алгоритмов и математических моде лей МС, их адаптация и развитие применительно к выбранной кинема тической схеме. Используемые при этом уравнения кинематики, стати

ки и динамики составляют основу инструментальных средств проектирования в среде САПР. В результате проведенного анализа была вы-Зрана кинематическая схема манипулятора (рис.2), обеспечивающая, с эдной стороны, заданные требования по маневренности, а с другой, юзволяющая в дальнейшем эффективно решать задачи управления дви-кением МС. Решение прямой задачи по положению состоит в нахождении i

матриц Т| = ПА|, ¡ = 1, 2,..., 6, где А,- матрица перехода от j-й к

-1-й системе координат. Являясь, таким образом, матрицей перехода 5т i-й системы координат к базовой, Ti содержит информацию относительно положения и ориентации i-ro звена манипулятора. Поскольку эси трех последних сочленений у выбранной кинематической схемы ма-1ипулятора пересекаются, то обратная задача по положению решается жалитически. В диссертации приведено решение этой задачи. Решение 1рямой задачи по скорости состоит в формировании по известной схе-

1е матрицы Якоби J(q) = (ji, j;.....js), где ввиду того, что все сочленения

«анипулятора вращательного типа, векторы jv имеют вид: jk = (zi.|T, (zk.jx '»"об )т)т- Учет подвижного основания производится следующим образом: :сли уравнение s = f(q, t) задает связь между координатами и ориентацией схвата s и обобщенными координатами q, то вектор угловой и ли-1ейной скорости s = (mt,vt)t определяется соотношением: s=J(q)q+f|, где !торое слагаемое отражает эффект подвижного основания. Обратная ;коростная задача в силу той же причины, что и обратная задача по юложению, может быть разрешена аналитически. Приведено решение >братной скоростной задачи и указаны множества вырожденных конфигураций .

Динамические параметры твердого тела полностью задает матрица терции Н =Zp¡p¡Tm¡, где p¡ - однородный вектор 4x1, проведенный в i-ю >атериальную точку тела, имеющую массу т,. Задача поиска матрицы шерции для составного твердого тела сводится к задаче нахождения 1атрицы инерции в различных системах координат, решение которой 1меет вид Н'=ТНТТ, где Н'- матрица инерции в системе координат О', i Т - матрица перехода от О к О'.

Диагональные элементы h¡¡ матрицы инерционных коэффициентов Н, 1Ходящей в уравнение "Динамики манипулятора, представляют собой

массу или момент инерции, приведенные к оси 2^, в зависимости от типа ¡-го сочленения. Знание этих параметров, являющихся функциям! обобщенных координат, позволяет в первом приближении решить вео комплекс задач механики и управления, поскольку в предположена отсутствия взаимовлияния звеньев, уравнения динамики выглядят следующим образом:

где т,- обобщенная сила, развиваемая приводом ¡-го сочленения, В - обобщенная сила тяжести ¡-го звена.

Решения прямой и обратной задач динамики, использующих эт< уравнение, позволяют, с одной стороны, получить параметры движени) звена, а с другой - выбрать параметры приводов.

Задача вычисления коэффициентов уравнения динамики манипулятора является в какой-то мере обобщением предыдущей задачи и состоит в получении полных уравнений динамики манипулятора при заданных обобщенных координатах. Подробнее эта задача приведена ниже, при рассмотрении ПИД-регулятора.

Задача вычисления обобщенных движущих сил, реализующих программное движение (заданное в виде Ч=я(1), ч=яО ), ч = (}(1) либо в эквивалентном виде) относится к классу обратных задач динамики и используется в процессе проектирования исполнительного механизма дл: решения следующих задач:

- расчет параметров приводов степеней подвижности механизма;

- вычисление динамических реакций в сочленениях в процесс!

реализации заданного движения;

- вычисление внутренних силовых факторов в сечениях звеньев.

Далее исследуются вопросы, связанные с уравновешивание! звеньев манипулятора. При проектировании манипуляторов следуе-стремиться к тому, чтобы устранить влияние инерционных сил, возникающих вследствие совмещения движений по отдельным степеням под вижности. Для этого необходимо соответствующим образом распреде лить массы внутри каждого звена. Наиболее легко практически обес печить статическую уравновешенность, т.е. такое распределена масс, при котором потенциальная энергия механизма не зависит о

обобщенных координат, что влечет за собой разгрузку приводов от моментов силы тяжести звеньев. В работе исследованы некоторые случаи разгрузки плоского 3-звенного манипулятора с сочленениями вращательного типа с точки зрения минимизации максимального действующего момента приводов, а также выведены условия, при которых максимально упрощаются уравнения динамики и алгоритмы управления манипулятором.

Для вывода уравнения динамики (УД) использован формализм Ап-пеля, в соответствии с которым энергия ускорения исследуемой МС имеет вид:

| 3 П!

8 = тХ[п1„,(Хт + Ут) + ->т"тЬ Где

1 т=| ¡=1

п>г1* ■Ьп/ хт, Ут-соответственно масса, момент инерции и координаты центра масс (ЦМ) т-го звена в абсолютной системе координат; Як-обобщенная координата (ОК) к-го звена.

Тогда УД МС записываются в виде:

вЭ 3

—— = 0к+ик, к = 1, 2, 3, где = - тт9ут /с?як ;

т=Л

Ск, 1Н - соответственно моменты сил тяжести и управляющие мо-■

менты, приведенные к ОК.

<К 58

Выполнив операции--——, ——--, а также обеспечив стати-

Эс)2 д<\2 Эя3

ческое уравновешивание 2-го и 3-го звеньев МС (предплечья и кисти), можно записать УД в простом и удобном для анализа виде:

1,а, = в, + и, -и2 , 12а2 = и2-и3, 1,а3 = и3,

где Ь = Ш| а|2 + (гп2 + гп.1) /12, Ь = ^ + гп2 а22 + т3 122, 1з = Лз+гпзаз2,

длина ¡-го звена, а,- расстояние от оси вращения ¡-го звена до его ЦМ.

При этом условиями статического уравновешивания 3-го звена являются: аэ=0, 03=0. Аналогичными условиями для 2-го звена являются равенства: Л = /3(т2а2 + т3/2) , 02=0.

Следовательно, статическое уравновешивание кисти и предплечья МС приводит к развязке движений всех звеньев по скоростям и

ускорениям их вращения, а также максимально упрошает УД системы целом, т.к. оно разделяется на три независимых элементарных урав нения (что имеет важное значение при синтезе систем управления).

Используя полученные выражения, можно вычислить максимальны движущие моменты при заданных максимальных значениях угловых ско ростей и ускорений (а>|, еЛ ¡-го звена:

из™« = тз +т3(/, - г, +/2 т2)-а3+.»] е3,

где

: л/е? +Щ1 ' г2 = л/(Е2 + в/'г)2 4ш2 •

Отсюда можно найти аз = — (/1Г1 + /2Г2) /2ез, при котором достигается минимум максимального движущего момента кисти. Это равенство указывает на необходимость размещения привода кисти в ее уравновешивающей части и обеспечения аз < 0. Аналогично выведены формулы для вычисления игпих и и|„,м.

Следует отметить, что полное статическое уравновешивание кисти и предплечья МС при изменяющейся массе объекта манипулирования (ОМ) не представляется возможным без введения специальных противовесов, которые увеличивают общую массу МС. Поэтому для всего диапазона изменения масс ОМ рационально осуществить частичное статическое уравновешивание за счет расположения приводов в уравновешивающих частях соответствующих звеньев. При этом в одной точке (например при массе ОМ, равной половине ее максимального значения) статическое уравновешивание будет полным. Из приведенных формул также видно, что условия статического уравновешивания не совпадают с условиями минимума максимальных движущих моментов, и, следовательно, выбор того или иного критерия определяется при проектировании другими факторами (в частности, параметрами используемых приводов).

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЮЩИХ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ РТК

Приведены структура и описание системы управления (СУ) РТК, функциями которой являются:

- управление движением БПМ;

- управление движением МС;

- управление всеми видами технологического оборудования (ТО);

- управление системой электропитания;

- управление телевизионной и осветительной аппаратурой;

- управление радиоканалом передачи информации;

- диагностирование работоспособности отдельных блоков и подсистем.

Основу системы управления составляют две бортовых ЦВМ (БЦЕМ), в функции одной из них входит управление МС, другая же управляет БПМ и остальными подсистемами. БЦВМ по каналу связи взаимодействуют с ПЭВМ рабочего места оператора (РМО) и выполняют его команды, подтверждают статус исполнения и поставляют текущую информацию о состоянии всех подсистем РТК. Основным режимом системы управления является дистанционный режим с оператором в контуре управления. В этом режиме выработка команд, задаваемых с пульта РМО с помощью органов управления, выполняется оператором. Необходимая для принятия решения информация о состоянии и рельефе опорной поверхности в направлении движения, расположении объекта управления в предметной среде получается с телекамер РТК и датчиков ближней локации. Эта информация в удобном для оператора виде воспроизводится на мониторах РМО. Оператору предоставляется также информация о параметрах движения БПМ 'и ТО.

На основе требований, предъявляемых к качеству управления МС, разработаны схемы и математические модели следящих систем. На рис.3 представлена структурная схема системы управления движением одной степени подвижности МС на исполнительном уровне. Схема содержит один регулятор состояния с контурами управления по углу (ак) и по скорости(<ок) . Здесь приняты следующие обозначения:

Jj., -'р, JH - моменты инерции подвижной части двигателя, редуктора и нагрузки соответственно,

Mrj, Cj, hj - соответствующие моменты трения, коэффициенты упругости и вязкости (j = д, р, н) ,

i- передаточное отношение редуктора,

KOCf ктг - соответственно коэффициенты передачи двигателя по моменту, обратной связи по току и тахогенератора.

I

г

-Л

Кн

X Кос

1

тд _а,

1

Мгд

-

Мм 1

-

и.

упр

ЦАП

Алгоритм управления муфтой

<Х>—

Кт

Ср+ЬрР

Кх>-

1

ш»

Игр

-

аР

АЦП

КПУ

К2

К3

С ц В м

К! (1+рТг) (1+рТм)

(1+рТ2)рТи

Чх>

Алгоритмы оптимизации уставок

-"■а* •••■

Алгоритм анализа корректности уставок и команд

Сн+ЬнР

М.Н

1

Ш„

ан

Б Ц В М

Ю

Результаты проведенного моделирования позволяют сделать вывод о преимуществе комбинированного способа управления (когда уставка по скорости о) интегрируется в СЦВМ, а в соответствующие контуры управления подаются уставки ык и ак) , обеспечивающего наилучшие показатели качества.

В работе рассмотрены использованные при разработке СУ режимы управления МС на тактическом уровне. В полуавтоматическом режиме манипулятором управляет человек-оператор с помощью многостепенной рукоятки; при этом сигналы, поступающие от рукоятки интерпретируются как компоненты скорости схвата (линейной и угловой). В этом случае для выбранной кинематической схемы МС необходимо воспользоваться решением обратной задачи по скорости, приведенной в работе и имеющей следующий вид:

Я1 = У4г2/х 14, Я 2 = >',(гз£1,(/а2У24,

Чз = ^'4Ро4/а2у;и, С|д = -Пх.^Л?,

Ч 5 = Пи, <Эб = ПХ4Л5,

где С1 = , у4 = у-сохр,» ,

v, со - заданные линейная и угловая скорость схвата, а|, с!,, Х|, г*, б,, х^, у;,, р^ - кинематические параметры, которые задаются или оЬределяются в процессе решения прямой кинематической задачи.

Полученные обобщенные скорости далее соответствующим образом масштабируются и передаются по каналу связи на БЦВМ, управляющую МС, при этом контур управления приводами подвижных сочленений предварительно размыкается по положению (но остается замкнутым по скорости), т.е. работает в режиме слежения за скоростью.

В автоматическом режиме управление манипулятором состоит в выборке последовательности заданных точек позиционирования (в терминах либо обобщенных координат, либо координат схвата), генерации траектории и передаче соответствующих углов на приводы подвижных сочленений, предварительно замкнутых по положению. В том случае, когда точки позиционирования задаются в терминах координат схвата, применяется линеаризированный алгоритм позиционного управления, приведенный в работе. Векторы хг, уг, гг, рг представляют собой компо-

ненты матрицы Tf(t), задающей программное движение схвата, а х, у, г, р - компоненты матрицы T(t), определяющей текущее положение схвата.

Рассмотрен также метод управления в копирующем режиме, когда е качестве задающего органа выступает манипулятор, кинематически подобный управляемому исполнительному механизму.

Далее исследуются вопросы управления многозвенным механизмом с учетом взаимного влияния степеней подвижности МС при их одновременном движении. Запишем уравнение динамики манипулятора в виде:

H(q)q +h(q, q) = u(t,q, q) ,

где h(q,q) - вектор, учитывающий силы тяжести, корриолисовы и центробежные силы,

u(t,q,q) - вектор обобщенных сил, развиваемых приводами в сочленениях манипулятора.

Тогда, если программное движение манипулятора задано в виде q=q*(t), то ПИД-регулятор можно построить в виде:

u(t,q,q) = aH(q)(q*(t)-q(t))+bH(q)(q'(t)-q(t))+ Ц( q )q*(<) + h(q, q)

Такой выбор регулятора обеспечивает ошибку с = q-q*, удовлетворяющую уравнениям ё+ас+ЬЕ= 0, и тогда выбором постоянных коэффициентов а и b можно обеспечить требуемое качество управления манипулятором. Существенным недостатком, препятствующим внедрению этого подхода в практику управления, является очень высокая сложность вычислений матрицы H(q) и вектора h(q, q), которые необходимо осуществлять в реальном времени на бортовой ЦВМ. В диссертации показано, что для некоторых кинематических схем предварительно уравновешенных манипуляторов адаптивный ПИД-регулятор вполне может быть реализован, поскольку в этом случае элементы матрицы H(q) и вектора h(q,q) являются сравнительно простыми тригонометрическими многочленами, вычисление которых можно эффективно осуществить, если воспользоваться выборкой значений тригонометрических функций из предварительно построенной таблицы с последующей интерполяцией.

Проиллюстрируем решение поставленной задачи на примере МС, кинематическая схема которой отличается от приведенной на рис.3

отсутствием двух последних степеней подвижности (ориентации) кисти. Такое допущение правомерно, поскольку в предложенной схеме кисть статически уравновешена с учетом массы ОМ.

Вывод УД рассматриваемой МС осуществим с использованием метода Лагранжа. Кинетическая энергия системы определяется по формуле 1 4

Т = - I [шт(х2п, + у2т + ¿2т) + ],тш+ Л2гао)^т + -

I т=|

- -14тШ >т<° > т ~ •> 5т™ хтЮ ал ~ 6тМ утЮ 7Ш 1 '

где J2m, • • • -1бт - элементы тензора инерции гп-го звена в цен-

тральной системе координат (СК) этого звена;

оХп1, Шут, о)гт - проекции абсолютной угловой скорости вращения гп-го звена на оси СК т-го звена.

После проведения необходимых вычислений и преобразований, а также с учетом выполнения равенства ,1н= .Ьа, определяющего условие частичного динамического уравновешивания и реализованного в кинематической схеме МС, получим УД МС и формулы для вычисления их коэффициентов, которые не содержат умножения переменных сомножителей, т.е.сомножителей, зависящих от q:

ниЧ| +Н14Ч4 +ЬМ2я1я2-2Ь31|<11(1з + Ь|2,я2я4 = и,

Н22Я2+Н2з11+Ь2НЧ|3 + Ь2Х1ЯЗ2+2|,ШЧ2ЯЗ-Ь,:,4Я1С|4+02 = 112

н!гзЧ2 +'зЧз +115пЧ|2 -ЬгзлЧг2 -Ь|24Ч|Ч4 +63 = из НиЯ| +-М4 +Ьи4я,(<Ь + Яз) = и4

где: Нп=Ь1+Ь2со5(2ц2) +Ь3сэ+Ьзс05(2я2+я3) +114соэ [2 (Яг+Яз) ] , Нц"=Ь582з» Н2г=Ь6+Ь7Сз, Нгз=11р+Ьэсз, Ьзп=Ь9 [53+51П (2яг+ц3) ] +Ь45!П [ 2 (Яг+Яз) ] ,

Ьпг'-е^т (2яг) -ЬзЗз-егвт [2 (дг+Чз) ] -езэт (2яГ+я3) ,

112П=Ь25Ш (2чг) ч-И^п [2 (Яг+Яз) ] (2я2+яз), Ь^^з^гз. Ь233=-Ьз5з

Заметим, что в алгоритмах вычисления коэффициентов УД присутствуют 43 операции (17У+18С+8В) , где У-операция умножения, С-сложения, В-выборки значений синуса или косинуса. По сравнению с известными алгоритмами такой подход обеспечивает преимущество в объеме арифметических операций не менее, чем в 50 раз.

При наличии параллельной вычислительной системы, в которой время выполнения каждой из этих операций одинаково, можно выделить независимые ветви вычислений с высотой параллельной формы, равной

6 и шириной - равной 12. Следовательно, быстродействие вычислений в этом случае дополнительно возрастет в (43/6) раз по сравнению с последовательной формулой того же алгоритма.

Изложенный алгоритм адаптации коэффициентов усиления ПИД-регулятора программным движением МС, в бортовом вычислителе которой реализована выборка значений тригонометрических функций в СЗУ, позволяет обновлять коэффициенты усиления каждые 5 мс, что обеспечивает заданное качество управления.

Далее описываются некоторые информационно-измерительные системы мобильных РТК. Приведены примеры практической реализации систем автоматизированного контроля (АСК) точности преобразователе( угловых перемещений в цифровой код, которые являются необходимьн« элементами разработанных РТК, в частности, исполнительного органг МС. Очевидно, что точность позиционирования схвата манипулятора, г также точность воспроизведения заданной траектории его движения I значительной степени определяются точностью преобразователей угол-код. В связи с этим в диссертационной работе описана спроектированная и изготовленная АСК контроля точности нарезки пазов статоров и роторов поворотных трансформаторов.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МС И БПМ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ РТВ

В рамках разработанной методологии проектирования мобильны: РТК, функционирующих в экстремальных средах, рассмотрены вопрос! компоновки электродвигателей, разработки конструкции шарнирных узлов и передаточных механизмов МС. Требование максимально возможного диапазона изменения углов вращательных сочленений накладывав' существенные ограничения на компоновку узлов, оставляя единственн! возможными такие схемы, в которых узлы располагаются друг за дру гом в порядке следования сочленений. Показано, что целесообразны) является выбор обратимых редукторов в передаточных механизмах, одной стороны, обеспечивающих их меньшую уязвимость при столкно вении с препятствиями (что бывает весьма часто при работе в плох организованных средах), а с другой стороны, вследствие высоког КПД позволяющих применять специальные методы выборки люфтов. В

Рис. 6

процессе конструирования использовались ранее полученные результаты, связанные со статической разгрузкой приводов звеньев. Отмечено, что для использования известных методик прочностных и жестко-стных расчетов деталей и узлов исполнительного механизма исходными данными являются результаты проектирования манипулятора в среде пакета прикладных программ.

Далее проанализированы требования к электродвигателям приводов исполнительного механизма манипулятора, которые должны обеспечить не только необходимые показатели по движущему моменту и угловой скорости, но и по экономичности, надежности, длительному сроку службы при минимальных затратах на обслуживание в течение периода эксплуатации в различных условиях, в том числе в условиях воздействия радиации. Анализ показал, что широко используемые в робототехнике коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами не могут обеспечить ряда требований (особенно ресурса работы и взрывобезопасности), поэтому были разработаны вентильные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Приведены характеристики двигателей, используемых в каждом сочленении манипулятора, включая схват, а также указаны некоторые конструктивные особенности их исполнения.

Аналогичные принципы положены в основу конструирования гусе*

ничных движителей, шасси и БПМ в целом. При этом следует отметить, что системы управления ДГ расположены в полости ведомых катков движителей, СУ исполнительным органом МС - в приборном контейнере БПМ (бортовая часть), а наземная часть СУ РТК размещена на РМО.

На основании изложенных подходов были спроектированы и изготовлены опытные образцы б-звенной МС с системой управления, внешний вид которой изображен на рис.4, и шасси БПМ с изменяемой геометрией (рис.5). На рис.6 - представлен мобильный РТК в сборе.

Далее в работе описаны экспериментальные исследования и испытания мобильного РТК, включая климатические испытания и испытания на радиационную стойкость. Проведен сравнительный анализ технических характеристик РТК, входящих в него подсистем и элементов с известными отечественными и зарубежными аналогами. Показано, что разработанный комплекс превосходит известные аналоги по целому ряду параметров.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа современного состояния проблемы создани мобильных РТК, функционирующих в экстремальных средах, отмечен] характерные особенности и недостатки существующих технически: средств, состоящие, в частности, в ограниченных функциональны: возможностях и недостаточном уровне технических и эксплуатационны: характеристик, отсутствии унификации входящих подсистем и, ка следствие, необходимости использования при проведении работ цело! гаммы роботов различного назначения, не имеющих программно' аппаратной совместимости. Сформулированы основные требования ] системам данного класса, которые заключаются в необходимости доставки в зону работ (как правило, по пересеченной местности и внутри помещений с нарушенными транспортными и инженерными коммуникациями) комплекса специального оборудования, проведении разведывательных и технологических операций (которые не всегда могут быт! определены заранее) и возвращении в исходный пункт с оборудование! или грузом.

2. Разработана методология проектирования МРТК для экстремальных сред, состоящая в декомпозиции на входящие подсистемы, из которых в качестве объекта исследования выделены транспортные и ма-нипуляционные подсистемы мобильных роботов легкого веса (до 6 О С кг). Необходимость исследования указанных подсистем обусловлена и> определяющим влиянием на формирование облика системы в целом, недостатками существующих аналогов, а также сложностью и многообразием теоретических задач и их практической реализации.

3. Разработаны математические модели БПМ с изменяемой геометрией ходовой части, которые, с одной стороны, обеспечивают поддержку проектирования компонент БПМ, а с другой - позволяют оценить взаимное влияние подсистем. Кинематические модели позволяют оценить линейные и угловые скорости и ускорения подвижного аппарата при движении по плоскому рельефу произвольного профиля. Полученные параметры используются в качестве исходных данных при проектировании манипулятора, установленного на подвижном основана (БПМ). Динамические модели используются для проектирования регуляторов приводов гусеничных движителей БПМ, а также для оценки от-

дельных навигационных характеристик аппарата (угловые и линейные скорости, время разгона, время разворота при реверсе и т.п.).

4. Сформулированы методологические основы проектирования многозвенных манипуляторов на подвижном основании, состоящие в решении комплекса задач кинематики и динамики, которые определяют процесс проектирования. Применение рассмотренных методов кинематического и динамического анализа для выбранной кинематической схемы МС положено в основу инструментальных средств проектирования в среде САПР, что позволяет существенно повысить эффективность рас-четно-конструкторских работ.

5. Разработан метод статического уравновешивания звеньев манипулятора с шарнирами вращательного типа, позволяющий разгрузить приводы соответствующих подвижных сочленений от моментов сил веса. Кроме того, предложенный метод (в сочетании с частичным динамическим уравновешиванием) позволяет существенно упростить уравнения динамики МС и реализовать адаптивные ПИД-регуляторы приводов с учетом динамики многозвенных механизмов при одновременном вращении нескольких звеньев. Эффективность вычислений коэффициентов регулятора при этом возрастает более, чем в 50 раз (а при использовании параллельных вычислений дополнительно в 7 раз), что позволяет обеспечить требуемые параметры управления в режиме реального вре-

I

мени на бортовой ЭВМ (программный режим).

6. Исследованы копирующий и полуавтоматический режимы управления движением манипулятора. Синтезированы регуляторы приводов и разработаны алгоритмы оптимизации уставок в режиме управления по скорости. Показаны преимущества комбинированного способа управления, обеспечивающего наиболее высокие показатели качества (минимальные длительности переходных процессов и амплитуды колебаний) .

7. На основе анализа требований к электродвигателям приводов мобильного робота, функционирующего в средах с повышенной взрыво-пожароопасностью и/или радиацией, сделан вывод о невозможности применения для систем рассматриваемого класса коллекторных двигателей постоянного тока. В связи с этим, разработана и изготовлена гамма вентильных двигателей с улучшенными массо-габаритными харак-

теристиками и удельными моментами (до 1, 12 Нм/кг) , пpeвышaющим^ известные аналоги в 1,5 раза и более.

8. Выпущен комплект конструкторской, технологической и эксплуатационной документации на манипулятор ИЮШГ442551.001 (включа* автономную систему управления и задающий орган манипулятора), гусеничный движитель ИЮШГ453223.001 (также с автономной системо{ управления) и другие узлы и блоки РТК. Документация откорректирована по результатам изготовления и испытаний и может быть использована при серийном производстве указанных подсистем.

9. Спроектирована и изготовлена автоматизированная системг контроля инструментальных погрешностей статоров и роторов поворотных трансформаторов, которые используются в качестве первичны> преобразователей информации в подвижных сочленениях МС и погрешность которых в значительной степени определяет точность управления движением манипулятора. АСК позволяет в автоматическом режиме измерять погрешность нарезки пазов статоров и роторов ПТ.

10. В соответствии с конструкторской документацией изготовлень и исследованы опытные образцы МС и БПМ. Оригинальные технические решения, использованные при разработке указанных подсистем, наряду с практическим применением полученных в работе теоретических результатов, позволили реализовать комплекс необходимых технических и эксплуатационных характеристик, превосходящих известные отечественные и зарубежные аналоги. Так например, отношение массы манипулятора (80кг) к массе объекта манипулирования (20кг) составляет 4, тогда как лучшие из известных образцов обеспечивают это отношение равным 6-7 (обычно - 10-12). При этом линейная скорость схвата регулируется в пределах от 0 до 0,5м/с (при длине руки 1,5м), погрешность позиционирования не превышает 1мм, а максимальные угль: поворота по каждой степени подвижности составляют 34 0°. Шасси БПК обеспечивает изменение базы, колеи и дорожного просвета в среднем в 2 раза относительно "сложенного" состояния. Развиваемое БПМ тяговое усилие (10000Н) позволяет осуществить движение снаряженного РТК (масса до 650кг) со скоростью до 3,6 км/час, а также перемещение по лестничным пролетам с углом наклона до 50°.

11. В соответствии с разработанной программой проведены различные виды испытаний опытных образцов, включая климатические и

радиационные испытания. Полученные результаты подтвердили возможность эксплуатации РТК в экстремальных средах (температура окружающей среды от минус 4 0° до + 50°С, мощность гамма-излучения -104Р/час, экспозиционная доза - 106рад, кислотно-шелочная среда и т.д. )

12. Опытные образцы MC и БПМ прошли испытания в составе мобильного РТК на полигоне фирмы KHG (Германия). В процессе испытаний отсняты видеоматериалы. Анализ полученных результатов подтвердил правильность разработанной в диссертационной работе концепции и методов проектирования, эффективность использованных математических моделей, алгоритмов и оригинальных технических решений, что позволяет создать класс дистанционно-управляемых аппаратов с широкими функциональными возможностями и высокими тактико-техническими характеристиками.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воинов И.В. Описание конструкции манипуляционной системы робота

специального назначения// Проблемы проектирования неоднородных конструкций. Труды III Всероссийской школы: (Сборник) - Миасс: ЧГТУ, 1995,- С.123-136.

I

2. Войнов И.В. Решение некоторых задач синтеза плоского трехсте-

пенного манипулятора// Вестник МГТУ. - 1995- N'1,- С.50-58.-(Приборостроение)

3. Войнов И. В. Синтез алгоритма быстрой адаптации ПИД-регулятора программного движения четырехзвенного манипулятора// Информационные технологии искусственного интеллекта:(Сборник)-М.: ИФТП РАН, - 1994.- С.93-100.

4. Войнов И.В. и др. Основные положения концепции проектирования электромеханического робота с заданными параметрами/ Войнов И. В., Телегин А.И., Герасев С.Н., Боровинский М.Б.// Проблемы проектирования конструкций: (Сборник) - Миасс: УрО АН СССР, 1991.- №6. - С.18 - 24.

5. Войнов И.В., Телегин А.И. Метод решения уравнений динамики плоского n-звенника с вращательными кинематическими парами// Вестник МГТУ. -1995. №1 С.61-66.- (Приборостроение)

з:

6. Войнов И.В., Паньшин В.А. Вентильный электродвигатель гусенич-

ного движителя// Электротехника. - 1994.- N'11.- С.35-37.

7. Жабреев B.C., Войнов И.В. Оптимальная фильтрация выходных сиг-

налов преобразователей угловых перемещений// Информационные v управляющие системы: (Сборник) - Челябинск: ЧПИ. 1980.- №250.-С.15-17.

8. Жабреев В.С.,Войнов И.В. Оптимальная фильтрация выходных сигна-

лов преобразователей угловых и линейных перемещений накапливающего типа// Изв.вузов. Приборостроение, 1982,- Т.15.- № 9.-С.11-14 .

9. Романов Д.А., Войнов И.В. Базовый подвижный модуль робототехни-

ческой системы как средство доставки высокой проходимости: Материалы IV науч.-техн. конф. "Робототехника для экстремальны? условий",- С,- Пб., 1993,- С.28-31.

10. Телегин А.И. Системы твердых тел. Математическое обеспечение решения задач механики и управления: Монография (раздел 5.10 i соавторстве в Войновым И.В.)- Челябинск. ЧГТУ, 1995.- 4.2. С.164-177.

11. A.c.894777 [СССР]. Устройство для контроля преобразователе{ угла поворота вала в код/ Авт.изобрет.: И.В.Войнов.// Б.И.,-1981.- N' 48.

12. A.c.943803 [СССР]. Устройство для контроля статоров и роторо! вращающихся трансформаторов/ Авт.изобрет.: И.В.Войнов, В. Е. Драчук. // Б .И. , -1 982. - N'26.

13. A.c.1019477 [СССР]. Устройство для контроля инструментально! погрешности статоров и роторов вращающихся трансформаторо! /Авт.изобрет.: И.В.Войнов, В.Б.Драчук.// Б.И.,- 1983.- N'19.

14. Патент на изобрет. N'1779587 [РФ]. Исполнительный орган манипулятора / Авт.изобрет.: И.В.Войнов и др. //Б.И.,- 1992.- N'4 5.

15. Патент на изобрет. N'1795574 [РФ]. Исполнительный орган манипулятора/ Авт.изобрет.: И.В.Войнов, А.И.Телегин// Б.И.,- 1995.-№14.

16. Патент на изобрет. N'2045856 [РФ]. Транспортная машина с изменяемой геометрией ходовой части /Авт.изобрет.: В.В.Вечканов, И.В.Войнов и др. // Б. И . , - 1995.- N' 28.

17. Патент на изобрет. N'2059503 [РФ]. Гусеничный движитель, Авт.изобрет.: И.В.Войнов, и др.// Б.И.,- 1996.- №13.

Президиум ВАК Росси

феиеяве от " //_ " 19<Жт., Ns

рксудид учейую степень ДОКТОРА я _ /уе&Аггч-ееггех:. наук.

к управления ВАК России

лг-х

/

Научно-производственное объединение электромеханики, Уральский автомобильный завод

На правах рукописи

ВОЙНОВ Игорь Вячеславович

ТРАНСПОРТНЫЕ И МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Специальность 05.13.07-Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Миасс 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список используемых сокращений 5

Введение 8 Глава 1 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ 23

1.1 Мобильные робототехнические комплексы, функционирующие в экстремальных средах 23

1.1.1 Миниатюрные мобильные дистанционно-управляемые технические средства 24

1.1.2 Легкие мобильные ДУ средства 2 6

1.1.3 Мобильные ДУ средства среднего веса 29

1.1.4 Тяжелые мобильные ДУ средства 31

1.2 Состав мобильного робототехнического комплекса. Функциональное назначение подсистем и связи

между ними 33

1.3 Декомпозиция как метод проектирования

мобильного робототехнического комплекса 38

Выводы к главе 1 42 Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ

СИСТЕМЫ КАК ЭТАП ПРОЕКТИРОВАНИЯ РТК 4 3

2.1 Требования к транспортным системам мобильных робототехнических комплексов. Состав и

функциональное назначение 4 4

2.2 Кинематическая модель базового подвижного модуля

при движении по пересеченной местности 47

2.3 Исследование динамики систем управления 58

2.3.1 Динамика тягового двигателя 59

2.3.2 Динамика движения базового подвижного модуля 73

2.3.3 Моделирование уравнений движения БПМ 77

2.3.4 Исследование системы приведения балансира 91 Выводы к главе 2 98 Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРА КАК

ПОДСИСТЕМЫ МОБИЛЬНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 9 9

3.1 Концепция проектирования манипуляционной системы 100

3.2 Кинематический анализ манипулятора 105 3.2.1 Задачи о положении 105

3.2.2 Задачи о скорости ИЗ

3.3 Динамический анализ манипулятора 12 6

3.3.1 Массо-геометрические характеристики манипулятора 12 6

3.3.2 Вычисление диагональных элементов матрицы

инерции и обобщенных сил 12 9

3.3.3 Вычисление коэффициентов уравнения динамики 132

3.3.4 Вычисление обобщенных сил, реализующих заданные программные движения звеньев

исполнительного механизма 133

3.4 Статическое уравновешивание звеньев манипулятора 134

Выводы к главе 3 141 Глава 4 УПРАВЛЯЮЩИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПОДСИСТЕМЫ

МОБИЛЬНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 143

4.1 Система управления.Структура и выполняемые функции 14 3

4.1.1 Режимы управления РТК 14 4

4.1.2 Функциональная схема системы управления 14 6

4.1.3 Программное обеспечение системы управления 148

4.2 Управление манипулятором 14 9

4.2.1 Функциональное построение бортовой части

системы управления 151

4.2.2 Управление на исполнительном уровне 154

4.2.2.1 Разработка математической модели объекта управления 154

4.2.2.2 Разработка регуляторов следящих систем 158

4.2.3 Копирующий режим работы манипулятора 172

4.2.4 Полуавтоматический и автоматический режимы управления манипулятором 17 6

4.2.5 Адаптивное управление манипулятором 180

4.2.6 Инструментальные средства разработки ПО

бортовой части системы управления манипулятора 188

4.3 Информационно-измерительные системы

мобильного робототехнического комплекса 18 9

4.3.1 Телевизионная система 190

4.3.2 Система передачи информации 192 Выводы к главе 4 194

Глава 5 КОНСТРУИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОДСИСТЕМ РТК

5.1 Конструирование базового подвижного модуля

5.2 Конструирование манипулятора

5.3 Конструирование задающего органа

5.4 Электродвигатели системы приводов манипулятора

5.4.1 Требования к электромеханическим узлам электроприводов

5.4.2 Обоснование конструкции электродвигателей приводов

5.4.3 Вентильные двигатели постоянного тока типа ДБ

5.5 Экспериментальные исследования мобильного робототехнического комплекса

5.5.1 Испытания гусеничного движителя БПМ

5.5.2 Испытания базового подвижного модуля

5.5.3 Испытания манипуляционной системы

5.5.4 Измерение погрешности статоров и роторов ПТ с использованием автоматизированной системы контроля

5.5.5 Радиационные испытания БСПИ Выводы к главе 5

Заключение Список литературы

Приложение 1 Акт внедрения результатов докторской диссертации Приложение 2 Перечень ИЭТ

Приложение 3 Перечень неметаллических материалов

195 195 208 225 232

232

235 238

248

249 259 264

269 274 280 282 287 296 298 300

Список используемых сокращений

АБ - аккумуляторная батарея

АСК - автоматизированная система контроля

АФС - антенно-фидерная система

АЧХ - амплитудо-частотная характеристика

АФЧХ - амплитудо- и фазочастотная характеристики

АЭС - атомная электростанция

БВК - бортовой вычислительный комплекс

БИК - бортовой измерительный комплекс

БПМ - базовый подвижный модуль

БРК - бортовой радиокомплекс

БС - блок сопряжения

БСПИ - блок сопряжения и преобразования информации

БТО - бортовое технологическое оборудование

БУП - блок усилителей и преобразователей

БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина

ВД - вентильный двигатель

ВПП - вектор проектируемых параметров

ДВ - электродвигатель

ДГ - гусеничный движитель

ДПР - датчик положения ротора

ДУС - дистанционно-управляемая система

е.м.р.- единица младшего разряда

30 - задающий орган

ИК - информационный канал

ИО - исполнительный орган

ИЭТ - изделия электронной техники

К - кабель

КПД- коэффициент полезного действия КПУ - кодовый преобразователь угла

ЛАФЧХ - логарифмические амплитудо- и фазочастотные характеристики ЛСУ - локальная система управления МГП -массо-геометрические параметры МД - моментный двигатель

МДПМ - моментный двигатель с постоянными магнитами МП - микропроцессор

МПС - микропроцессорная система

МРТК - мобильный робототехнический комплекс

МС - манипуляционная система

МЭ - электромагнитная муфта

НПУ -наземный пульт управления

ОК - обобщенная координата

ОМ - объект манипулирования

ОС - обратная связь

ОСС - обратимая следящая система

ОУ - объект управления

ПЗС - камера

ПЗС-матрица - матрица с переносимой зарядовой связью ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ПИД-регулятор- пропорциональный интегро-дифференциальный регулятор

ПК - персональный компьютер

ПКн- приборный контейнер

ПМ - передаточный механизм

ПО - программное обеспечение

ПП - переходный процесс

ППл - поворотная платформа

ППП - пакет прикладных программ

ПТ - поворотный трансформатор

ПД - программное движение

Р - редуктор

РК - радиоканал

РМО - рабочее место оператора

РТ - ретранслятор

РТК - робототехнический комплекс РТС - робототехническая система

САПР - система автоматизированного проектирования СВЧ-сигнал - сверхвысокочастотный сигнал СК - система координат

СКВТ - синусно-косинусный вращающийся трансформатор

СМИ - система местной навигации

СОсв - система освещения

СП - степень подвижности

СПИ - система передачи информации

СрО - средства отображения СрУ - средства управления СС - следящая система СтУ - стыковочное устройство СУ - система управления

СЦВМ - специализированная цифровая вычислительная машина

ТВ-камера - телевизионная камера

ТВА - телевизионная видеоаппаратура

ТГ - тахогенератор

ТЗ - техническое задание

ТО - технологическое оборудование

Тр.Л - транспортная лента

У - усилитель

УД - уравнение динамики

УИ - импульсный усилитель

УН - устройство наведения

УСО - устройство сопряжения с объектом

УЭВМ - управляющая ЭВМ

х.х. - холостой ход

ц.и. - центр инерции

ЦМ - центр масс

ЦПУ - центральный пост управления

ЦРК - центральный радиокомплекс

ЦЭВМ - центральная ЭВМ

ЧПУ - числовое программное управление

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭД - электродвигатель

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость повышения качества и снижения себестоимости выпускаемой продукции определила широкое внедрение методов и средств автоматизации технологических процессов во многих сферах человеческой деятельности, включая машиностроение, энергетику, горнодобывающие отрасли и т.д. Сложность и многообразие поставленных задач, в свою очередь, определили необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований, создания и внедрения эффективных автоматизированных производств и их отдельных составляющих: станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботов, систем контроля, управления и т.д.

Одним из наиболее перспективных направлений автоматизации производственных процессов на современном этапе развития науки и техники является использование роботов и манипуляторов различного назначения. При этом следует отметить, что первые механические манипуляторы были внедрены в 30-х годах нашего столетия для работы с радиоактивными материалами. Бурное развитие микроэлектроники и вычислительной техники в последние десятилетия дало мощный толчок и развитию робототехники, выделив ее в самостоятельную область знаний, которая характеризуются высокой наукоемкостью и имеет большое прикладное значение для конкретных производств.

Исследованию различных аспектов робототехники посвящено значительное количество работ как у нас в стране, так и за рубежом, выпущены учебники и монографии, опубликовано множество научно-технических статей и патентов, внедрено огромное количество роботов и манипуляторов. Существенный вклад в решение теоретических проблем робототехники внесли научные коллективы МГТУ им.Н.Э.Баумана, ИПМ им.М.В.Келдыша РАН, Института машиноведения им.А.А.Благонравова РАН, ИППИ РАН, ИПУ, МИРЭА, СПбПИ, СПбИИАН, Мосстанкина, ЧГТУ и др. под руководством Е.П.Попова, Д.Е.Охоцимского, И.М.Макарова, К.В.Фролова, С.В.Емельянова, В.М.Пономарева, Ю.М.Соломенцева, Г.С.Черноруцкого и др.

Однако, объективные законы развития общества ставят перед учеными и инженерами все новые и новые задачи, особенно в тех сферах деятельности, где присутствие человека для проведения каких-

либо технологических операций резко ограничено параметрами окружающей среды либо вообще невозможно. К таким сферам можно отнести космические и подводные исследования, атомную энергетику и некоторые другие. Особое место в этом ряду занимает задача ликвидации возможных последствий аварий и катастроф, в частности, на объектах атомной энергетики.

Авария на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС), произошедшая 26 апреля 1986г., обозначила целый комплекс нерешенных организационных и научно-технических проблем, связанных с ликвидацией ее последствий. Тем более, что на сегодняшний день в России действует 9 АЭС, и разумной альтернативы их использованию в составе единой энергосистемы страны не просматривается в обозримой перспективе. В ряде других стран мира атомная энергетика занимает ведущее положение, так например, в Южной Корее до 60% от общего объема электроэнергии в стране вырабатывается атомными электростанциями. В Японии в 1992 году действовало 42 АЭС, которые вырабатывали 30% электроэнергии, 11 АЭС находилось в стадии строительства и еще несколько - в стадии проектирования. В связи с этим, наряду с задачами повышения безопасности действующих и вновь создаваемых АЭС, весьма актуальной является задача организационного и технического обеспечения ликвидации возможных последствий аварий на АЭС и др. экологических катастроф в максимально сжатые сроки и с минимально возможными потерями материальных, финансовых и людских ресурсов.

Из всего многообразия задач, включаемых в понятие ликвидация последствий аварий на объектах атомной энергетики, выделим технический аспект, который в общем виде можно сформулировать в виде последовательной цепочки действий:

1. Сбор и предварительная обработка информации о причинах и масштабах аварии.

2 . Анализ полученных результатов и принятие управленческих решений.

3. Поэтапная техническая реализация многоцелевой функции ликвидации последствий аварии непосредственно на объекте.

Специфика объектов атомной энергетики и, соответственно, возможных аварийных ситуаций на данных объектах характеризуется, в большинстве случаев, невозможностью непосредственного участия человека в проведении разведывательных, аварийно-спасательных и ре-монтно-восстановительных работ, что связанно с радиоактивным зара-

жением окружающей среды, температурным режимом и т.п. В этих условиях практически единственным средством получения необходимой информации и проведения различных транспортных и технологических операций на объекте являются дистанционно-управляемые робототехни-ческие комплексы (РТК) или мобильные роботы (МР).

К моменту аварии на ЧАЭС, несмотря на относительно большой опыт эксплуатации объектов атомной энергетики (включая аварию 1957 года на Южном Урале), в Советском Союзе не были созданы образцы необходимой аварийно-спасательной техники для работы в экстремальных условиях, в том числе, в условиях высоких уровней радиации. Разрозненность работ, проводимых некоторыми научными учреждениями, предприятиями и организациями по созданию отдельных элементов РТК (радиационно-стойкая элементная база, высокоэффективные приводы, манипуляторы, датчики различного назначения, радио- и телевизионные системы, технологический инструмент и т.д.), а также специфические особенности образцов техники, создаваемых в смежных областях (в частности, подвижные аппараты типа " Луноход "и "Марсоход" для космических исследований, манипуляторы для подводных работ и т.п.) не позволили своевременно решить проблему разработки и серийного изготовления мобильных роботов с требуемыми техническими и эксплуатационными характеристиками.

Попытка оперативного решения практической проблемы путем сопряжения и стыковки отдельных имеющихся систем, узлов и агрегатов в создавшейся после аварии ситуации выглядела совершенно естественной. Так же естественным представляется и результат: через 4 месяца, т.е. в августе 1996г., опытные образцы робота-разведчика, оснащенные минимальным набором датчиков, были направлены в Чернобыль, однако их эффективность, как и эффективность мобильных роботов, полученных из ФРГ, оказалась крайне низкой (последние, в частности, не выдержали воздействия радиации). Позднее на базе колесного шасси для космических исследований (разработка ВНИИТранс-маш) межотраслевым научно-техническим комплексом (МНТК) "Прогресс" был создан робототехнический комплекс КРТ-101 - практически единственный из аппаратов среднего класса, реально отработавший в Чернобыле (рис.В.1). Управляемый по радиоканалу комплекс КРТ-101 оснащен набором датчиков состояния окружающей среды, системами освещения и телевидения, в качестве исполнительного органа использован бульдозерный отвал. Выполняя одновременно разведывательные и ис-

?

. ЧвЛИМШ.

полнительные функции по расчистке перекрытий 4-го энергоблока от радиоактивных обломков конструкций, залитых застывшей смолой, аппарат в целом неплохо проявил себя.

Полученный практический опыт использования КРТ-101 позволил более четко определить его сильные и слабые стороны (в частности, слишком высокие массо-габаритные характеристики, ограничивающие возможность работы аппарата в стесненных условиях помещения, сравнительно высокое удельное давление шасси на грунт, особенно критичное при работе на перекрытиях зданий и сооружений, ограниченные маневренность, скорость перемещения и проходимость, достаточно узкие функциональные возможности, незначительный ресурс работы и т.д.), что и было в определенной степени учтено при разработке последующих модификаций (например, КРТ-201) и определении принципиально новых подходов к созданию следующего поколения мобильных РТК.

Проиллюстрируем на примере объектов атомной энергетики основные задачи и функции РТК с учетом накладываемых ограничений.

Современная АЭС представляет собой сложный комплекс расположенных на местности зданий и сооружений, связанных между собой и с внешним миром различными инженерными коммуникациями и оснащенных технологическим оборудованием (в том числе ядерным реактором) и автоматизированными системами диагностики и управления.

При проектировании современных АЭС особая роль должна уделяться надежности их эксплуатации и безопасности для окружающей среды. Например, в Японии для выполнения этих основополагающих требований принимается ряд мер, среди которых важное место занимает создание автоматизированных инспекционных робототехнических систем для непрерывного контроля за состоянием и работой всего оборудования атомных энергетических установок. Внедрение таких систем позволяет улучшить надежность и эффективность работы оборудования АЭС, уменьшить общее время простоев оборудования, свести к минимуму воздействие атомной радиации на контрольно-измерительное оборудование, сократить вр