автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Влияние расписания включения приводов робота на его кинематические и динамические характеристики

Шаныгин Сергей Витальевич

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ РАСПИСАНИЯ ВКЛЮЧЕНИЯ ПРИВОДОВ РОБОТА НА ЕГО КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Специальность 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004 г.

Работа выполнена в Московской государственной академии приборостроения и

информатики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шкатов П.Н.

Официальные оппоненты

Слепцов В. В, доктор технических наук, профессор

ЛянгВ.Ф. кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация ЗАО МИИИ МНПО «Спектр»

Защита состоится «я^» февраля 2005г. в /О часов на заседании диссертационного совета D212.119.03 в Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107846, г. Москва, Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Учитывая внедрение роботов в различные сферы производственной и другой деятельности, а также широкое применение мобильных роботов, приводы которых питаются от аккумуляторов, назрела необходимость в определении возможности снижения энергозатрат робота при его работе. Одним из возможных путей снижения энергозатрат является выбор такого расписания включения приводов манипуляционной системы роботов, при котором будут наилучшие кинематические и динамические характеристики робота. В настоящее время уделяется большое внимание мобильным роботам, которые могут использоваться в различных сферах человеческой деятельности. Разработаны мобильные роботы для поиска и развития локальных источников излучения в ЦНИИ робототехники и технической энергетики г. Санкт-Петербург, в МГТУ имени Н.Э. Баумана разработаны многоцелевые мобильные роботы, в специальном конструкторско-технологического бюро прикладной робототехники, г. Москве также разработан многоцелевой мобильный робототехнический комплекс. Также работы ведутся в г.г. Рязани, Тольятти, Протвино. Все работы были направлены на разработку конструкций, способ управления роботами, устройствами сбора ими информации, но при этом не рассматривались вопросы о снижении энергозатрат приводами роботов, питающихся от аккумуляторов. Исходя, из этого вытекает необходимость проведения исследования; позволяющего определить взаимосвязь кинематических и динамических параметров робота с последовательностью включения приводов в подвижностях его манипуляционной системы.

Исследование этого вопроса дает возможность выработки рекомендаций по рациональному назначению расписания включения приводов в подвижностях манипуляционной системы, для получения нужных характеристик робота в зависимости от его функционального назначения.

Анализ литературы, около 112 работ, по робототехнике показал, что в настоящее время вопросом влияния последовательности включения приводов в манипуляционных системах на параметры работы роботов не рассматривались.

Основной целью данной работы является разработка способов уменьшения энергозатрат робота путем рационального выбора расписания включения приводов, а также исследование влияния расписания включения на кинематические и динамические характеристики.

I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I библиотека I

, » 09 I

1

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать теоретические методы выбора расписания включения приводов и их влияние на кинематические и динамические характеристики работы манипуляционной системы.

• Определить влияние начальной конфигурации манипуляционной системы на выбор расписания включения приводов.

• Разработать способы, позволяющие уменьшать инерционные нагрузки звеньев и приведенных моментов, которые возникают при работе манипулятора.

• Разработать и составить программы управления роботизированными комплексами, участвующих в процессе контроля трубопроводов, позволяющих эффективно и надежно производить работы по выявлению дефектов.

Методы исследования:

Для теоретических исследований и анализа влияния расписания включения приводов робота на его кинематические и динамические параметры используются методы: аналитической геометрии; решение дифференциальных уравнений движения; приведение сил и масс; суперпозиций при кинематическом анализе; парциальных сил при динамическом анализе. При назначении рационального расписания включения приводов робота используется методика выбора оптимальных параметров в задачах со многими критериями. Экспериментальные исследования, для проверки достоверности теоретических результатов, проводились на основе выбранной кинематической схемы манипулятора, по которой была составлена реальная модель на ЭВМ.

Научная новизна работы:

• Разработаны и обоснованы способы уменьшения сил действующих в кинематических парах, и энергозатрат манипуляционных систем путем рациональной последовательности включения приводов.

• Получены уравнения и дано их решение, позволяющие определять различные траектории движения схвата, кинематические и динамические параметры звеньев манипуляционной системы из условия получения рациональных и удобных для практического применения характеристик, позволяющих снизить энергозатраты.

• Установлена взаимосвязь начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота в подвижностях его манипуляционной системы.

• Разработан математический аппарат, методика и алгоритмы выбора расписания включения приводов робота с учетом его кинематических и динамических характеристик.

Практическая ценность полученных в работе результатов;

• На основе разработанного математического аппарата созданы программы расчета последовательности, включения приводов робота, даны рекомендации по выбору и анализу траекторий, по которым происходит движение манипуляционной системы, а также определено влияние кинематического и динамического воздействия на работу манипулятора.

• Даны рекомендации по выбору расписания включения приводов под различные инженерные задачи, которые возникают в процессе работы роботизированных комплексов. В частности, роботов использующихся в работах по контролю швов в трубопроводах.

Работа выполнена в соответствии с НИР ТИТ - 726, выполняемых МГАПИ в 2000-2004гг. По федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России» и Научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и тхники».

Использование результатов работы:

Результаты работы будут использованы ЗАО НИИ МНПО «Спектр» для модернизации и совершенствования системы управления роботами для контроля трубопроводов, будет создана управляющая система с улучшенными энергодинамическими характеристиками, которая заменила бы устаревшую систему управления. Также результаты работы используются в учебном процессе кафедры ИС-5 «Информационное обеспечение робототехнических систем и комплексов» при чтении курса «Проектирование роботов и РТС», а также в дипломном проектировании.

Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на пяти международных и Российских конференциях: «Новые информационные технологии» (г. Москва 2002,2003,2004), V и VI Международных научно- практических конференциях «Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи, 2002,2003).

Структура и объем диссертации.

Работа содержит введение, четыре главы и заключение, изложенных на 131 страницах текста, 34 рисунка, 11 таблиц и библиографии из 112 наименований.

На защиту выносятся:

• Математический аппарат, методика и алгоритмы выбора расписания включения приводов робота с учетом его кинематических и динамических характеристик;

• закономерности изменения сил инерции и их взаимоуравновешивание путем рациональной последовательности включения приводов;

• установление связи начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота.

Краткое содержание работы.

Во введении дано обоснование темы исследование данной работы и коротко изложены вопросы, вынесенные на защиту.

В первой главе дан обзор литературы, в которой исследуется кинематика и динамика роботов, из которого следует, что к настоящему времени вполне изучены вопросы влияния кинематических, динамических и энергетических параметров робота на его исполнительную систему. Этим методам посвящены многие известные работы.

В этой же главе обращается внимание на то, что в диссертации предложены способы, которые способствуют уменьшению энергозатрат приводов робота путем использования рационального выбора расписания включения приводов.

Проведенный анализ работ, по кинематике и динамике роботов, и его управления приводит к выводу, что задача уменьшения энергозатрат приводов робота как она поставлена в данной диссертации, в литературе решения не имеет. Рассмотренные в этой области работы содействовали проведенному автором исследованию и решению поставленной в диссертации задачи.

При этом обоснована актуальность работы, выбрана кинематическая схема манипулятора, по которой была составлена реальная модель на компьютере.

Во второй главе предлагается один из способов уменьшения энергозатрат приводов робота, основанный на том, что, выбирая определенное расписание включения приводов можно влиять на длину траектории движения рабочего органа и на кинематические параметры работы робота. Дальнейшее исследование было проведено на примере манипуляционной системы, состоящей из трех подвижных звеньев и трех вращательных пар 5-го класса (рис.16), данная система работает в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Первоначально была составлена формула, по которой определяется количество возможных вариантов включений приводов Ц = +2(п-1). Без учета нулевого варианта - когда все приводы отключены.

Рис.1 а, б Двухзвенные и трехзвенные манипуляционные системы.

Таким образом, даже для самой простой манипуляционной системы (Рис 1а) будем иметь три варианта. Следовательно, можно сделать вывод, что с увеличением числа подвижных звеньев количество вариантов включения приводов резко возрастает. Так для кинематической схемы манипулятора, представленной на рис.1б, возможны 7 вариантов включения (таблица 1).

Таблица 1

Сочленения. Возможная последовательность включения приводов*.

А q1 ^НН q1H q1H HHq, Hq, Hq.H

В q2 Hq2H q2H Hq2 Hq2H q2H q2HH

С q3 HHq3 Hq3 <!зН qзНН q3H HHq3

(* Примечание q - привод включен; Н - привод не включен)

Первоначально была рассмотрена простейшая схема манипулятора, состоящая из 2-х подвижных звеньев, соединенных в кинематические пары 5-го класса (рис. 1а). На примере этого манипулятора видим, что возможно при последовательном включении привода получаем три возможные траектории точки С При включенном только приводе в

подвижности А радиус траектории движения т.С равен Г = — фу + /2 — 2/,/j COS \

/7 = 180" - фу

При рассмотрении влияния последовательности включения привода в последовательностях манипуляционной системы АВСБ(рис. 16) на траекторию движения рабочего органа были также учтены соотношения угловых скоростей звеньев 1, 2, 3, т.е. при начальном одновременном включении приводов и при они будут

отключаться раньше или позже по отношению друг к другу и при этом будут разные траектории движения рабочего органа. Так если рассмотреть работу манипуляционной

системы BCD (при отключенном приводе А) получаем семь возможных траекторий движения рабочего органа (Рис 2) для случаев, когда

тг = й)3 (ф2к-<Р2Н = фзк-фзн 1ф2К-ф2Н >фзк-<Р2н; "Ргк-фгн < фзк-фзк); >и>з (фгк-фгн >фзк-ф2н) (ф2К"ф2Н <<Р31С-ф2н); <<»3 (<Р2К-ф2Н >фЗК"ф2н) (ф2К"ф2Н ^ЗК-фгн) •

Рис.2 Траектории движения рабочего органа при различной последовательности включении приводов. В качестве критерия, при выборе расписания включения приводов использовался суммарный объем движения в кинематических парах. Который должен быть минимальным, так как в этом случае уменьшаются потери на трение, и исключается «рысканье звеньев», т.е.

\Щ- объем движения в кинематической паре.

Кроме того, экономичность движения зависит от длины траектории, поэтому, выбирая последовательность включения приводов, получаем нужную траекторию движения, т.е. решаем задачу о положении путем расписания включения приводов. Также важно, чтобы в момент включения (отключения) того или иного привода на выходном звене не наблюдались бы скачки ускорений, а, следовательно, скачки сил инерции.

Известно, что кривизна траектории определяется радиусом траектории, поэтому была получена зависимость этого радиуса от обобщенных координат звеньев и от

последовательности включения приводов р — ф1 + /' —/2/3[180" — — (рис.3) и составлена программа для расчета этого радиуса на ЭВМ.

При вращении первого звена вокруг оси Z1 точка D будет находиться в плоскости I (рис.36), перпендикулярной оси вращения Z1. Если при этом звенья 2 и 3 будут

б

неподвижны, то траекторией движения точки D будет дуга окружности радиуса г (рис.36), равного: г " loo COS (¡} + l¡ COS q¡. (2.1) длина траектории движения точки D будет равна:

, а расстояние точки D от основания (точки А ) определяется размером рц,

равном:

_ [/, + l1sinq1-I,smq,] _ 1М

PD -. PD"-

COSf, cos tpl

l,cosqi+l1cosq1 __ _ (1, cosg,+/; cos?,)

tgtp, --= arctg-

/, + /j sin дг -1¡ sin q, /, + /} sin q-¡ -1, sin q,

Рис. 3 а, б.Зависимость радиуса траектории от обобщенных координат и от последовательности включения приводоа Также в главе 2 рассматривается вопрос выбора начальной конфигурации с точки зрения уменьшения нагрузок в кинематических парах.

Начальная конфигурация манипуляционной системы определяется либо заданными начальными условиями, которые являются следствием тех задач, для выполнения которых создан робот, либо, если условия не заданы, динамическими показателями, которые будут определять трогание робота с места. Поэтому начальную конфигурацию манипуляционной системы нужно увязать с расписанием включения приводов робота.

Если начальная конфигурация имеет вид ABCD' (рис.3б), то величина тангенциального ускорения возникающего при вращении манипуляционной

системы (МС) ABCD вокруг оси АВ будет равна й'0—1]¡¡¡ур- Инерционная сила, обусловленная и возникающая при движении, соответственно равна

L -üüil 1180*

Инерционный момент равен Мщ —¿¡¡¡¡> где m2, m3, тф - массы звеньев 2, 3 и груза, Js -момент инерции системы BCD, соответственно момент, который должен преодолевать привод буцет равен Мс =MUt "^^ujf/iy он может быть такой, что для его преодоления потребуется большой крутящий момент привода, что в свою очередь приведет к необходимости увеличения мощности привода.

Из приведенного примера видно, что начальная конфигурация МС непосредственно связана с расписанием включения приводов в подвижностях системы. При начальной конфигурации ABCD' первоначально нецелесообразно включать сначала привод в подвижности А., т.к. привод должен будет преодолевать большие моменты сопротивления. Целесообразно сначала включать привод в подвижности С, потом в подвижности В и когда конфигурация манипуляционной системы будет соответствовать ABCD включать привод в подвижности А.

При дальнейшем исследовании было определено влияние расписания включения приводов на кинематические параметры звеньев (Рис.5а).

Рис.4 Связь начальной конфигурации с динамическими нагрузками.

Рис.5 Влияние расписания включения приводов на кинематические звеньев. Определение кинематических параметров было проведено методом суперпозиций, а также учитывалось взаимовлияние кинематических параметров от совместного действия обобщенных скоростей и ускорений. Так, например, кинематические параметры т. Б от

действия 0\и£1 равны: От ^«¿^р?])» У01=т,г = у^-,г=100=11смд1+!усозд'};

д'з=Ш'-д]',а"01 = а^г = й),3(/гсо$д1 +/3соз^3); =а^соз,9;.9=90-?3'

= = е\г-е1 (¡1608+ /3соя); лД Ц00; а\ ООО; ООО; =о°

Также определены кинематические параметры т. D от ¿2 и

Проведенное исследование показало, что расписанием включения приводов можно влиять на скорости и ускорения звеньев (составлена программа расчета, которая распределяет последовательность включения приводов), позволяющая уменьшать величины ускорений рабочего органа. Кроме того, рациональным назначением последовательности включения приводов, можно взаимокомпенсировать ускорения соответствующих точек звеньев (рис.5б).

Глава 3 посвящена определению возможности снижения динамических нагрузок, за счет рационального расписания включения приводов и соответственно уменьшению требуемого движущего момента или движущих сил, т.е. разгрузить приводы.

Поскольку основными силами сопротивления в роботе являются инерционные нагрузки его звеньев, то, уменьшая инерционные нагрузки, уменьшаем моменты сопротивления, которые должны преодолеваться приводами, а соответственно двигатель расходует меньше энергии. Распределяем последовательность включения приводов так, чтобы силы инерции, возникающие, при движении одного звена компенсировались бы силами инерции, возникающими при движении другого звена, т.е. в приводе А -торможение, в приводе В - разгон и т.д. рис.6, таблица 2.

При назначении

последовательности включения приводов в соответствии с таблицей величины проекций ускорений точки D на координатные оси и

соответственно величины сил инерции, действующих в точке D, в общем виде соответственно равны:

=-(т1 +т2 +т1

В соответствии с таблицей 2 на величины силы инерции влияют те или иные массы звеньев, которые участвуют в движении.

В качестве примера на рис 7 показано, как существенно уменьшаются инерционные силы (Б „ в на ось у) при последовательном включении приводов по сравнению с одновременным включении приводов.

Кроме того, имея уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока, можно расписанием включения приводов влиять на его динамические характеристики, которые отражают инерционность процессов, происходящих в двигателе. При использовании электродвигателя важным параметром является величина максимального момента, следовательно, при соответствующем расписание приводов можно использовать двигатель с меньшей мощностью и следовательно получить

коэффициент перегрузки двигателя X = в заданных пределах.

В главе 4 рассмотрена связь энергодинамических характеристик приводов манипуляционной системы робота с их последовательностью включения. Известно, что сложность общих уравнений движения манипуляционной системы с несколькими степенями подвижности затрудняет решение задач динамического анализа. В этой связи был выбран способ, который использует парциальное движение, т.е. программное движение робота, при котором изменяется только одна из обобщенных координат. При парциальном движении все двигатели, кроме мо являются заторможенными, причем окончание предыдущего парциального движения служит сигналом к началу последующего.

Таким образом, парциальное движение позволяет составлять уравнение Лагранжа 2-го рода для каждой последовательности включения приводов. Интегрируя, уравнения движения совместно с уравнениями характеристик двигателя были определены законы движения и законы изменения движущихся моментов при различном расписании включении приводов.

Методом приведения сил определены приведенные моменты от динамических нагрузок к валам А, В и С. С помощью этих уравнений можно определить приведенные моменты сил сопротивления при последовательном включении приводов и при одновременном включении приводов.

Последовательное включение приводов: привод А включении, приводы В и С выключены:

иА -Ми I I | ри*¥°0) | +

""" ' й\ й\ А), Й),

привод В включен, приводы А и С выключены: привод С включен, приводы А и В выключены:

<Оу й>5

Одновременное включение всех трех приводов:

Из этого выражения видно, что приведенный к валу А момент сопротивления при

одновременном включении

приводов и при одинаковом направлении угловых ускорений значительно больше, чем при последовательном включении. Кроме того, если включение приводов происходит в последовательности приведенной

в табл.2, то происходит взаимная компенсация моментов сил инерции за счет, того, чтона этапах торможения и разгона звеньев их угловые и линейные ускорения направлены в разные стороны (Рис. 8).

Приведены уравнения, позволяющие оценить, степень влияния последовательности включения приводов на динамические характеристики, а также рассмотрены возможности улучшения этих характеристик путем рационального выбора расписания включения приводов и выбора наиболее удобной начальной конфигурации манипуляционной системы. На рис.9 показаны приведенные моменты к валу А при последовательном и одновременном включении приводов, из которого наглядно видно, как меняются приведенные моменты сил сопротивления в зависимости от последовательности включения приводов.

Рис.9 Приведенные моменты к валу А при последовательном и одновременном включении приводов.

Примеры расчетов кинематических и динамических характеристик при различных последовательностях включения приводов были рассчитаны и приведены в диссертации в качестве приложения.

Основные результаты и выводы работы.

1. Рациональное включение приводов позволяет голучить заранее заданную траекторию движения схвата, при движении по которой звенья манипуляционной системы не будут иметь лишних движений - «рысканья» и объем движения во всех кинематических парах будет минимальным.

2. Уменьшение объема движения в кинематических парах позволяет уменьшить потери не трение и, таким образом, увеличивается долговечность кинематической пары и к.п.д. робота.

3. Режим включения приводов в подвижностях манипуляционной системы выбирается из условия работы робота и требований, предъявляемых к его динамическим параметрам.

4. Расписанием включения приводов можно существенно влиять на характер изменения и величину инерционных нагрузок звеньев, что позволяет, во первых, разгрузить кинематические пары и, во вторых, частично уравновесить эти нагрузки силами же инерции отдельных звеньев, что в свою очередь позволит либо полностью отказаться от уравновешивающих устройств, либо использовать более простые устройства.

5. Улучшение динамических условий работы манипуляционной системы позволяет разгрузить приводы, что приведет к уменьшению энергозатарат.

6. Целенаправленный выбор расписания включения приводов в степенях подвижности позволяет минимизировать приведенные к валам приводов моменты сопротивления.

7. Расписание включения приводов и конфигурация манипуляционной системы связаны между собой, поэтому надо так назначать расписание включения приводов при той или иной конфигурации, чтобы в момент трогания моменты сил сопротивления были бы минимальными, т.е. чтобы увеличить приемистость робота и затраты энергии на трогание.

8. Расписание включения позволяет улучшить условия энергоотдачи приводов.

9. Целесообразный режим включения приводов в подвижностях позволяет минимизировать «принуждение», что в свою очередь позволяет получить колебания истинного ускорения от ускорения свободного движения таким, чтобы динамическая ошибка привода была бы минимальной.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах.

1. Шаныгин С.В., Фанталова Т.Б. О возможностях уменьшения энергозатрат приводов робота./ Сб. трудов 5-ой Всероссийской научно- технической конференции: Новые информационные технологии. М: МГАПИ, 2002.

2. Шаныгин С.В. Анализ влияния последовательности включения приводов робота на траекторию движения схвата / Сборник трудов 6-ой Всероссийской научно- технической конференции: Новые инфсрмационныетгхншогии. М: МГАПИ, 2003.

3. Шаныгин С.В, Таржанов И. В. Выбор начальной конфигурации манипуляционной системы Научные труды 5-ой Международной научно - практической конференции: Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права. М.: МГАПИ, 2003.

4. Шаныгин С. В. Связь энергодинамических характеристик приводов манипуляционной системы робота с их последовательностью включения. Научные труды бой Международной научно -

. практической конференции: Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права. М.: МГАПИ, 2003

5. Шаныгин С.В. Расписание включения приводов манипуляционной системы робота и ее энергодинамические характеристики./ Сб. трудов Всероссийской научно- технической конференции: Новые информационныетехнологии. М.: МГАПИ, 2004.

«■-из«

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор и анализ работ, посвященных методам управления и их развитие.

1.1. Анализ известных методов кинематического и динамического синтеза манипуляторов, систем управления.

1.2. Анализ этапов развития, основ теории управления.

1.3. Выводы главы1.

Глава 2.Влияние расписания включения приводов робота на его кинематические параметры.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Влияние расписания включения приводов в подвижностях манипуляционной системы на характер траектории точки присоединения схвата.

2.3. Выбор начальной конфигурации манипуляционной системы робота.

2.4. Влияние расписания включения приводов на кинематические параметры манипуляционной системы.

2.5. Выводы главы 2.

Глава 3. Влияние расписания включения приводов робота на его динамические параметры.

3.1. Анализ сил, действующих в манипуляционной системе робота.

3.2. Возможность уравновешивания инерционных сил путем изменения расписания включения приводов.

3.3. Выводы главы 3.

Глава 4. Влияние расписания включения приводов робота на его энергетические параметры.

4.1. Связь энергодинамических характеристик приводов манипуляционной системы робота с их последовательностью включения.

4.2. Расписание включения приводов манипуляционной системы робота и ее энергодинамические характеристики.

4.3. Выводы главы 4.

Стремительное развитие робототехники за последнюю четверть века существенно обогатило технический прогресс и предоставило человеку новые средства автоматизации. Промышленные роботы применяются в качестве транспортных средств, технологических машин и элементов гибких систем комплексной автоматизации. Фундаментальные идеи робототехники основываются на новейших достижениях в области теоретической и прикладной механики, электроники, теории машин и механизмов, вычислительной техники, теории управления.

В данный момент время роботизация многих сфер деятельности приобретает все более широкие масштабы, и в век энергосберегающих технологий встает вопрос о возможности создания более экономичных робототехнических комплексов.

Существующие на сегодняшний день методы и способы уменьшения энергозатрат приводов робота не всегда позволяют решать поставленные задачи в технологическом процессе, без введения дополнительных устройств или корректирующих программ управления. Наиболее эффективным использованием роботизированных комплексов, с уменьшенными энергозатратами, будет их применение в нефтегазодобывающей и нефтехимической промышленности. В частности, в трубопроводном транспорте газа, нефти, а также неразрушающий контроль зданий и различных технических конструкций.

Одним из перспективных направлений развития способов уменьшения энергозатрат является разработка методов и алгоритмов управления, позволяющих снижать потребление энергии за счет рационального выбора расписания включения приводов.

На сегодняшний день, при разработке новых робототехнических комплексов, актуальное значение приобретают роботы, позволяющие осуществлять неразрушающий контроль зданий и различных технических конструкций. В этом случае захват, робота оснащается прибором контроля например, рентгеном или прибором инфракрасного излучения и т.д.), которые могут обладать значительными массами, а следовательно, при движении будут создавать большие инерционные нагрузки. Поэтому вопрос уменьшения ускорений в процессе движения манипуляционной системы путем рационального включения приводов является важным с точки зрения уменьшения динамических нагрузок, что в свою очередь приведет к увеличению надежности конструкции робота и понижению энергозатрат на перемещения. В случае, если требуется высокая точность позиционирования, уменьшение динамических нагрузок и инерционность системы позволит также увеличить точность позиционирования.

Вопросы создания роботизированных комплексов с уменьшенными энергозатратами в настоящее время являются весьма актуальными при разработке универсальных средств неразрушающего контроля. Решение данных задач позволит снизить энергозатраты манипулятора, тем самым,^увеличив срок работы робототехнических систем, использующихся при контроле трубопроводов и несущих металлоконструкций зданий.

Основной целью данной работы является разработка способов уменьшения энергозатрат робота путем рационального выбора расписания включения приводов, а также исследование влияния расписания включения на кинематические, динамические и энергетические характеристики.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать теоретические методы выбора расписания включения приводов и их влияние на кинематические, динамические и энергетические характеристики работы манипуляционной системы.

• Определить влияние начальной конфигурации манипуляционной системы на выбор расписания включения приводов.

• Разработать способы, позволяющие уменьшать инерционные нагрузки звеньев и приведенных моментов, которые возникают при работе манипулятора.

• Разработать и составить программы управления роботизированными комплексами, которые участвуют в процессе контроля трубопроводов, позволяют эффективно и надежно производить работы по выявлению дефектов.

Методы исследования:

Для теоретических исследований и анализа влияния расписания включения приводов робота на его кинематические и динамические параметры используются методы: аналитической геометрии; решение дифференциальных уравнений движения; приведение сил и масс; суперпозиций при кинематическом анализе; парциальных сил при динамическом анализе. При назначении рационального расписания включения приводов робота используется методика выбора оптимальных параметров в задачах со многими критериями. Экспериментальные исследования, для проверки достоверности теоретических результатов, проводились на основе выбранной кинематической схемы манипулятора, по которой была составлена реальная модель на ЭВМ.

Научная новизна работы:

• Разработаны и обоснованы способы уменьшения сил, действующих в кинематических парах, и энергозатрат манипуляционных систем путем рациональной последовательности включения приводов.

• Получены уравнения и дано их решение, позволяющие определять различные траектории движения схвата, кинематические и динамические параметры звеньев манипуляционной системы из условия получения рациональных и удобных для практического применения характеристик, позволяющих снизить энергозатраты.

• Установлена взаимосвязь начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота в подвижностях его манипуляционной системы.

• Разработан математический аппарат, методика и алгоритмы выбора расписания включения приводов робота, с учетом его кинематических, динамических и энергетических характеристик.

Практическая ценность полученных в работе результатов:

• На основе разработанного математического аппарата созданы программы расчета последовательности включения приводов робота, даны рекомендации по выбору и анализу траекторий, по которым происходит движение манипуляционной системы, а также исследованы вопросы кинематического и динамического воздействия на работу манипулятора.

• Даны рекомендации по выбору расписания включения приводов под различные инженерные задачи, которые возникают в процессе работы роботизированных комплексов. В частности, роботов использующихся в работах по контролю швов в трубопроводах.

Работа выполнена в соответствии с НИР ТИГ - 726, выполняемых МГАПИ в 2000-2004гг. По федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России» и Научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».

Использование результатов работы:

Результаты работы использовались ЗАО НИИ МНПО «Спектр» для модернизации и совершенствования системы управления кроулерами, в результате была создана управляющая система с улучшенными энергодинамическими характеристиками, которая заменила устаревшую систему управления. Также результаты работы используются в учебном процессе кафедры ИС-5 «Информационное обеспечение робототехнических систем и комплексов» при чтении курса «Проектирование роботов и РТС», а также в дипломном проектировании».

Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на пяти международных и Российских конференциях: «Новые информационные технологии» (г. Москва 2002), V и VI Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи, 2002, 2003).

Структура и объем диссертации.

Работа содержит введение, четыре главы и заключение, изложенных на 131 страницах текста, 34 рисунка, 11 таблиц и библиографии из 112 наименований.

На защиту выносятся:

• Математический аппарат, методика и алгоритмы выбора расписания включения приводов робота с учетом его кинематических и динамических характеристик;

• закономерности изменения сил инерции и их взаимоуравновешивание путем рациональной последовательности включения приводов;

• установление связи начальной конфигурации манипуляционной системы с расписанием включения приводов робота.

4.3 Выводы главы 4.

Полученные уравнения позволяют определять влияние расписания включения приводов в степенях подвижности манипуляционной системы на те или иные динамические характеристики. В зависимости от назначения робота на его работу влияют различные динамические параметры. Так система уравнений (б), определяющих «принуждение» при различных режимах включения приводов в подвижностях А, В, С позволяет определить при каких режимах колебания инерционных нагрузок будут максимальными и приравняв «принуждение» к минимально допустимому значению (для заданной схемы робота), можно определить такой режим включения приводов, при котором колебания истинного ускорения свободного движения будут такими, что динамическая ошибка привода будет минимальна.

Используя систему уравнений (а), можно назначить такой режим включения приводов, при котором Мпр будет минимальным, т.е. приводы должны будут преодолевать меньшие моменты сопротивления.

Заключение.

1. Рациональное включение приводов позволяет получить заранее заданную траекторию движения схвата, при движении по которой звенья манипуляционной системы не будут иметь лишних движений - «рысканья» и объем движения во всех кинематических парах будет минимальным.

2. Уменьшение объема движения в кинематических парах позволяет уменьшить потери на трение и, таким образом, увеличивается долговечность кинематической пары и к.п.д. робота.

3. Режим включения приводов в подвижностях манипуляционной системы выбирается из условия работы робота и требований, предъявляемых к его динамическим параметрам.

4. Расписанием включения приводов можно существенно влиять на характер изменения и величину инерционных нагрузок звеньев, что позволяет, во первых, разгрузить кинематические пары и, во вторых, частично уравновесить эти нагрузки силами же инерции отдельных звеньев, что в свою очередь позволит либо полностью отказаться от уравновешивающих устройств, либо использовать более простые устройства.

5. Улучшение динамических условий работы манипуляционной системы позволяет разгрузить приводы, что приведет к уменьшению энергозатарат.

6. Целенаправленный выбор расписания включения приводов в степенях подвижности позволяет минимизировать приведенные к валам приводов моменты сопротивления.

7. Расписание включения приводов и конфигурация манипуляционной системы связаны между собой, поэтому надо так назначать расписание включения приводов при той или иной конфигурации, чтобы в момент трогания моменты сил сопротивления были бы минимальными, т.е. чтобы увеличить приемистость робота и затраты энергии на трогание.

8. Расписание включения позволяет улучшить условия энергоотдачи приводов.

9. Целесообразный режим включения приводов в подвижностях позволяет минимизировать «принуждение», что в свою очередь позволяет получить колебания истинного ускорения от ускорения свободного движения таким, чтобы динамическая ошибка привода была бы минимальной.

1. Аксенов Г.С., Воронецкая Д.К., Фомин В.Н. Построение программных траекторий сложных манипуляционных систем. Робототехника. JL, 1979, с. 41-47.

2. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайтов и их приложениеМ., Мир, 1972, с.316.

3. Андреенко С. И., Ворошилов. М. С., Петров Б. Е. Проектирование приводов манипуляторов. Л.: Машиностроение, 1975.

4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.640 с.

5. Артоболевский И. И., Кобринский А. Е. Роботы // Машиноведение. 1970. № 5. С. 3-11.

6. Юревич Е.И. Робототехника: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001.300 с.

7. Пшихопов В.Х. Математические модели манипуляционных роботов: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.112 с.

8. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М., Высшая школа, 1986, с.260.

9. Бруевич Н.Г., Доступов Б.Г. Метод определения ошибок скоростей и ускорений механизмов. М., Машиностроение, N3,1976, с. 27-34.

10. Ющенко А.С., Сакарян Г.Н. Планирование действий интеллектуальных РТС в экстремальных условиях. Ml ТУ., Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г.

11. Уитеккер Э. Аналитическая динамика. — Ижевск: Издательский дом «Ижевский университет», 1999.-588 с.

12. Бурдаков С.Ф. Математические модели и идентификация роботов с упругими элементами: Учебное пособие. JL: Изд-во J11 ТУ, 1990.-96 с.

13. Борисов В.Д. К расчету кинематики механизма двурукого промышленного робота.

14. Проектирование механизмов и динамика машин: межвузовский сборник научных трудов под редакцией Кульбачнош О. И. М.: ВЗМИ, 1985,133 с.

15. Проектирование и разработка промышленных роботов. // Под. ред. Белянина П.П., ШифринаЯЛ., М., Машиностроение, 1989, с. 265.

16. Промышленные роботы зарубежных фирм и их применение / П. Н. Белянин, Б. Ш. Розин, В.Н. Данилевский и др. // Обзор зарубеж. Опыта. М.: НИАТ, 1973.135 с.

17. Белянин П. Н. Промышленные роботы западноевропейских стран: Обзор зарубеж. Опыта. М.:НИАТ, 1976.172.

18. Ющенко А.С., Сакарян Г.Н. Планирование действий манипуляционного робота в условиях неопределенности. МГТУ. Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г.

19. Воробьев Е. И. Влияние параметров промышленных роботов на демпфирование упругих колебаний. Межвузовский сборник научных трудов «Проектирование механизмов и динамика машин», вып. 20, ВЗМИ, МД986, с. 126-130.

20. Воробьев Е.И., Кравченко Н.Ф. Выбор параметров пневмоприводов манипулятора. //Изв. вузов. Машиностроение. 1981, N2., с. 156-158.

21. Воробьев Е.И., Письменная Е.В. Синтез алгоритма управления движением манипулятора по заданной траектории на основе динамической модели исполнительного механизма. // Машиностроение, 1983, N2, с. 50-54.

22. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. М., 1976, с. 467. 7. Воробьев Е. И и др. Механика роботов (в 3-х книгах) / Под ред. К. В. Фролова и Е. И. Воробьева. Учебн. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1988.

23. Вукобратович М., СтокичД Управление манипуляционными роботами: Пер. с англ. М.: Наука, 1985.

24. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчнски Н. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами: Пер. с англ, под ред. Е. П. Попова и А. С. Ющенко. М.: Мир, 1989.

25. Божкова JI.B., Чуканова О.В. Определение управляющих функций, обеспечивающих точную реализацию программных движений звеньев манипулятора. МГААТМ., Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г.

26. Смольников Б.А., Юревич Е.И. Биомеханика и в робототехнике. СПбГТУ., Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г.

27. Динамика управления роботами / Под. ред. Юревича Е.И., 1984 г, с. 440

28. Динамика следящих приводов. // Под. ред. Рабиновича JI.B. М., Машиностроение, 1982, с. 492.

29. Динамика управления манипуляторами / В. В. Козлов, В. П. Макарычев, А. В. Тимофеев и др. М.: Наука, 1984.336 с.

30. Желиговский А. В. Об энергоотдаче и энерговосприимчивости в машинном агрегате. Проектирование механизмов и динамика машин: межвузовский сборник научных трудов под редакцией Кульбачного О. И. М.: ВЗМИ, 1985, 133 с.

31. Егоров Ю. Н. Системы привода роботов.- Л.: Изд-во Ленинградскогоуниверситета, 1982.

32. Егоров Ю. Н. Электроприводы роботов и манипуляторов. JL, 1978.79 с.

33. Игнатьев М.Б. Кулаков Ф.М., Покровский А.Н. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. М., 1972, с. 247.

34. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В., Малышев А. Б. Синтез линейных исполнительных систем роботов методом ПЧХ. Конспект лекций. — М.: Мосстанкин, 1988. 55с.

35. Илюхин Ю.В.,Подураев Ю.В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы: Учебное пособие. М.: Издательство МПИ. 1989. 75 с.

36. Волик О.А., Травушкин А.С. Северов Н.В. Приоритетные задачи применения мобильных робототехнических средств при выполнении спасательных работ. МЧС., Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г

37. Зенкевич С. Л., Назарова А. В. Программное обеспечение робототехнических систем: Учеб. пособие. М.: МВТУ, 1988.

38. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами: Учеб. Для вузов — М.: Изд-во Ml ТУ им Н. Э. Баумана, 2000.- 400 е., ил.

39. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Проектирование промышленных роботов. -М.: Высшая школа, 1996.

40. Кинематика, динамика и точность механизмов. Справочник// Под. ред. Крейнина Г.В., М., Машиностроение, 1984, с.205.

41. Коловский М.З., Слоущ А.В. Основы динамики промышленных роботов. М., Наука, 1988, с.236.

42. Игнатова Е.И., Синиченков Ю.Б., Фомин М.Г., Червяков А.Б. Компьютерные модели мобильных роботов для их проектирования и применения. ЦНИИ РТК., Материалы 10-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 2004 г

43. Кобринский А. А., Кобринский А. Е. Манипуляционные системы роботов.

44. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988

45. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы: Справочник. М.: Машино -роение, 1988.

46. Манипуляционные системы роботов / Под ред. А. И. Корендясева. М.: Машиностроение, 1989.

47. Казмиренко В. Ф., Лесков А. Г., Введенский В. А. Системы следящих приводов / Под ред. В. Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1993.

48. Крутько П.Д. Лакота Н.А., Попов Е.П. Конструирование алгоритмов автоматического управления силовыми операциями манипуляционных роботов.//ДАН. 1983. Т. 268. С. 1315-1318.

49. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. М.: Энергия, 1971.

50. Крутько П. Д. Алгоритмы осуществления заданных траекторий движения манипуляторов. Изв. АН СССР. Техническая кибернетика., 1979, N6, с. 72-84.

51. Казмиренко В. Ф., Лесков А. Г., Введенский В. А. Системы следящих приводов / Под ред. В. Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1993.

52. Кравченко Н. Ф. Математическое моделирование механизма манипулятора с пневмоприводом . Межвузовский сборник научных трудов «Проектирование механизмов и динамика машин», вып. 13, ВЗМИД979, c.l 18 -125.

53. Лакота Н.А., Рахимов Е.В., Шведов В.И. Управление упругим манипулятором по траектории. // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1980, N2, с.53-59.

54. Лесков А. Г., ЮщенкоА. С. Моделирование и анализ робототехнических систем. М.: Машиностроение, 1992.

55. Малышев В. А., Тимофеев А.В. Алгоритмы построения программных движений роботов-манипуляторов с учетом конструктивных ограничений и препятствий. Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1978, N6, с. 64-72.

56. Механика промышленных роботов. Под. ред. Фролова К.В., Воробьева Е.И., М., "Высшая школа 1988, т.1-3.

57. Мысловский Э.В. Промышленные роботы в производстве радиоэлектроннойаппаратуры. М., Радио и связь, 1988, с. 220.

58. Манипуляционные системы роботов / Под ред. А. И. Корендясева. М.: Машиностроение, 1989.

59. Медведев В. С., Лесков А. Г., ЮщенкоА. С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978.

60. Основы проектирования следящих систем / Под ред. Н. А. Лакоты. М.: Машиностроение, 1978.

61. Попов Е.П. Системы управления в робототехнике, изд. вузов, Машиностроение, 1977, N10, с. 3- 10.

62. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы: М.: Наука, 1978.

63. Попов Е. П. Робототехника и гибкие производственные системы. М.: Наука, 1987.

64. Попов Е. П., Письменный Г. В. Основы робототехники. Введение вспециальность: Учеб. М.: Высш. шк., 1990.

65. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора: Пер. с англ. М.: Наука, 1976.

66. Ривин Е.И. Динамика приводов станков. М., Машиностроение, 1966, с. 200

67. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: Учеб. пособие / Под ред. И.М.Макарова. М.: Машиностроение, 1986 (в девяти книгах).

68. Робототехника: новый этап развития / Под ред. Е. П. Попова и А. С. Ющенко. М.: Наука, 1993.

69. Современные промышленные роботы: Каталог/ Под. ред. Козырева Ю.Г., ШифринаЯ.И. М.,: Машиностроение, 1984, с. 448.

70. Системы управления промышленными роботами и манипуляторами. Под ред. Юревича Е.И., л. 1980, с. 184.

71. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Теория автоматического управления техническими системами: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ, 1993.

72. Сафонов Ю. М. Электроприводы промышленных роботов.- М.: Энергоатомиздат. 1990.

73. Тимофеев А.В. Управление роботами. JL: ЛГУ, 1985. 217.

74. Тимофеев А.В. Роботы и искусственный интеллект. М.: Наука, 1978,192 с.

75. Тимофеев А.В. Системы искусственного интеллекта для гибких автоматических производств, Л.: ЛДНТП, 1985, 14с.

76. Тимофеев А.В. Построение программных движений и управление роботами-манипуляторами с учетом его кинематической избыточности и динамики // Автоматика. 1976. N1. с. 71-81.

77. Тимофеев А. В. Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение, 1988.

78. Тывес Л. И., Маркевич С. В. Управление движением робота по собственной траектории. М.: ИМАШ АН СССР. Препринт, 1985.

79. Тывес Л. И., Маркевич С. В. Планирование движений роботов с учетомдинамических свойств исполнительных устройств, М.: ИМАШ АН СССР. Препринт, 1985.

80. Устройство промышленных роботов. / Под. ред. Юревича Е.И., JI. Машиностроение, 1980, с. 232.

81. Управляющие системы промышленных роботов / Под ред. И. М. Макарова и

82. B. А. Чиганова. М.: Машиностроение, 1984.

83. Фомин В.Н., Фраднов A.JL, Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. М., 1981,447с.

84. Фанталов И.О. Аналитические выражения ускорений второго порядка выходных звеньев шарнирных четырехзвенных механизмов. Проектирование механизмов и динамика машин: межвузовский сборник научных трудов под редакцией Кульбачного О. И.—М.: ВЗМИ, 1985,133 с.

85. Фанталов И.О. Кориолисово ускорение второго порядка. Проектирование механизмов и динамика машин: межвузовский сборник научных трудов под редакцией Кульбачного О. И. -М.: ВЗМИ, 1984,159 с.

86. Фурасов В.Д. Устойчивость движения, оценки и стабилизация, М., 1977, с. 248.

87. Фу К., Гонсалес Р., Ли К Робототехника: Пер с. англ, под ред. В. Г. Градецкого. М.: Мир, 1989.

88. Черноусько Ф. Л., Болотник Н. А., Градецкий В. Г. Манипуляцион-ные роботы. М.: Наука, 1989.

89. Чечет Ю. С. Электрические машины автоматических устройств.- М.: Энергия. 1964.

90. Шахинпур М. Курс робототехники (перевод с английского Дмитриева

91. C.С. Под. ред. Зенкевича С.Л.), М., "Мир", 1990, с. 520.

92. Шаныгин С.В., Фанталова Т.Б. О возможностях уменьшения энергозатрат приводов робота./ Сб. трудов новые информационные технологии. Под. ред. Хныкина А.П., М., 2002, с. 247-252.

93. Шаныгин С. В. Анализ влияния последовательности включения приводов робота на траекторию движения схвата. / Сборник трудов 6-ой Всероссийскойнаучно технической конференции: Новые информационные технологии. М.: МГАПИ, 2003.

94. Юревич Е.И. Функциональные схемы роботов трех поколений, изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1974, N6, с. 51-56.

95. Юревич Е. И. Основы робототехники: Учеб. JL: Машиностроение, 1985.

96. Ястребов В. С., Филатов А. М. Системы управления движением робота. М., 1979. с. 176.

97. Янг. Дж. Робототехника. JL, 1979, с. 300.

98. Orin D. Е., McGhee R В., Vukobratovic М., Hartoch G. Kinematic and Kinetic Analisis of Open Chain Linkages Utilizing Newton — Euler Methods, Math Biosci., 43, pp. 107-130,1979.

99. Bejczy A. K. Robot Arm Dynamics and Control, Technical Memo 33-669, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif, 1974.

100. Hollerbach J. M. A Recursive Lagrangian Formulation of Manipulator Dinamics and a Comparative Study of Dynamics Formulation Complexity, ШЕЕ Trans. Systems, Man, Cybern., SMC-10, No. 11, pp. 102-106,1984.

101. Luh J. Y. S., Walker M. W,, Paul R P. On Line Computational Sheme for Mechanical Manipulators. Trans. ASME, J. Dynamic Systems, Measurements and Control. 120, pp. 69-76.1980.

102. Lee C. S. G., Lee B. N., Nigam R Development of the Generalized d' Alembert

103. Equations of Motion for Mechanical Manipulators, Proc. 2nd Conf. Decision and Control, San Antonio, Tex., pp. 1205-1210,1983.

104. Lee C. S., Ziegler M. A. A Geometric Approach in Solving of Inverse Kinematics of PUMA Robots // IEEE Trans. Aero, and Electr. Systems, AES-20. No 6. P. 695-706.

105. Paul R, Shimano B. Kinematic Control Equation for Simple Manipulators // IEEE Proc. of Confer, on Decision and Control. N-Y, 1979. P. 1398-1406.

106. DenavitJ, Hartenberg R. S. Kinematic notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices //J. Appl. Mech. 77. P. 215-221, 1955.

107. Соболь И.М., Статников Г.В. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. «Наука»,М., 1981, с 107.