Роботы с манипуляционными системами переменной структуры

Актульность темы диссертации. Особые условия развития России в девяностых годах XX века привели практически к полному исчезновению отечественного роботостроения. Но робототехника во всем мире продолжает развиваться темпами, превышающими уровни, характерные для промышленности в целом, о чем свидетельствуют данные, приводимые далее вн. 1.1. данной диссертации. Прогресс в робототехнике в последнее десятилетие связывается преимущественно с расширением областей применения роботов. Если ранее была ориентация на применение роботов в промышленности (для обслуживания технологического оборудования и для некоторых технологических операций, таких как шовная и точечная сварка) и в экстремальных условиях (в космосе, под водой, в химически и радиационно опасных средах), то теперь области использования насчитываются десятками.

В научно-технической периодике в значительной мере совершенствование роботов связывается с применением совершенной сенсорики, компьютерного управления, вплоть до интеллектуального и креативного. При этом нередко считается, что механическая проблематика отходит на второй план. Но всегда остаются области, в которых именно оригинальными решениями в механике эффективно достигаются новые результаты в таких различных направлениях, как расширение манипуляционных возможностей, так и облегчение технической реализации.

В России сохранилось несколько научных школ в области робототехники. Передовые позиции в одном из направлений робототехники, как науки определились в семидесятых-восьмидесятых годах XX века в лаборатории робототехники Бурятского института естественных наук Сибирского отделения АН СССР (затем БИЕН СО РАН, теперь отдела физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН). Это теория циклоидальных манипуляторов, простых по конструкции, имеющих простые системы автоматического управления. Признание значительного научного вклада коллектива лаборатории БИЕН СО РАН в развитие отечественной робототехники выразилось в частности, в том, что БИЕН в конце семидесятых годов был включен в ряд общесоюзных программ по робототехнике. В течение двух десятков лет под руководством д.т.н. С. О. Никифорова, который в 1998 году в СПбГТУ защитил докторскую диссертацию [46], здесь ведутся теоретические исследования по теории быстродействующих роторных или циклоидальных манипуляторов, опубликовано более двух сотен работ, из которых в списке литературы указаны лишь те, которые имеют прямое отношение к данной работесотрудниками этого коллектива были защищены кандидатские диссертации [37, 66, 72, 75]. При достаточно ясных исходных предпосылках (расположение двигателей только на неподвижном основании, отсутствие громоздких передач, использование свободных движений шарнирных механизмов, получение требуемого расположения точек позиционирования и экономное удовлетворение требований к динамике) в процессе исследований с одной стороны, было предложено большое число приемов и конкретных путей расширения возможностей манипуляционных роботов, а с другой стороны, открылись возможности широких обобщений с объединением достижений смежных направлений робототехники.

В данной диссертации такой основой для обобщений является переменность структур манипуляционных систем. Имеется в виду, что кинематические цепи манипуляторов могут по командам и/или в определенных положениях размыкаться и опять замыкаться. Конкретные пути реализации этой идеи, принципиальные и схемные решения могут быть самыми различными. К настоящему времени лишь некоторые такие идеи четко сформулированы, лишь для некоторых из них определены технические требования, предложены математические модели, проведено математическое моделирование, изготовлены и испытаны первые макеты.

Поэтому тема данной диссертации, посвященной обоснованию конкретных возможностей построения манипуляторов с механизмами переменной структуры, рассмотрению способов их принципиальной и схемной реализации, исходя из требований к траекториям и расположению точек позициомирования, исследованию возможностей их практического использования, построению математических моделей, представляется актуальной.

Связь с планами научных исследований. Диссертационная работа продолжает цикл исследований, продолжающихся в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР «Проблемы механики и управления в робототехнических системах и автоматизированных производствах» (шифр 1.11.3), а также по специальной теме «Исследование и разработка быстродействующих циклоидальных манипуляторов», утвержденной Постановлениями ГКНТ № 108 от 20.04.87 и ОФМТН Президиума АН СССР № 11 000−194−1216 от 05.12.85, а также тематическими планами научно-исследовательских работ Отдела физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра Сибирского отделения РАН па 20 012 005 годы. i.

Цель диссертационной работы. Основной целью диссертации является обоснование возможностей построения манипуляционных систем переменной структуры роботов с целенаправленным размыканием и замыканием кинематических цепей в определенные моменты времени, разработка методик построения математических моделей и на их основе практическое решение задач выбора и расчета устройств, обеспечивающих требуемые изменения структур, теоретическое исследование кинематики и динамики подобных манипуляционных систем.

В соответствии со сформулированной целыо в диссертации поставлены следующие основные задачи исследования:

— собрать, описать, систематизировать и проанализировать известные примеры изменения структур механизмов манипуляторов роботов робототехнических систем во время их работы;

— разработать многоаспектную классификация механизмов роботов и робототехнических систем переменной структуры по таким признакам, как принцип изменения структуры, способ изменения связей, временные свойства изменения структуры и т. д.;

— создать такую методику составления уравнений движения, при которой при изменении структуры путем наложения и снятия кинематических связей для всех этапов сохраняются обобщенные координаты и общая структура дифференциальных уравнений движения;

— разработать принципиальные и схемные решения, создать и обосновать методики расчета упругих устройств с начальным натягом, добавляющих лишние степени свободы, когда силы взаимодействия превосходят предельные значения;

— на спроектированном и изготовленном макете оценить перспективность направления, правильность принятых автором принципиальных и схемных решений для робототехнических систем переменной структуры.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Изменение структур манипуляторов промышленных роботов во время их работы путем размыкания и замыкания кинематических цепей на начальном или конечном этапах переноса или может происходить только в соответствии со спецификой функционирования, или осуществляется целенаправленно для повышения надежности и точности.

2. Предложенная многоаспектная классификация свойств механизмов робототехнических систем переменной структуры позволяет систематизировать большое многообразие принципиальных и схемных решений.

3. При изменении структуры, чтобы не пересоставлять уравнения движения, целесообразно использовать такую форму уравнений движения, которая использовалась ранее только при неголономных связяхтогда для всех этапов сохраняются обобщенные координаты и общая структура уравнений. При скачкообразных переходах от этапу к этапу по определенным правилам необходимо преобразовывать обобщенные скорости.

4. Процессы перехода от этапа к этапу наложением связей могут быть многоударными, при анализе этих процессов на математических моделях необходимо учитывать большое число факторов, таких, как характер ударов, скорость программного движения, смещение программной траектории и т. п.

5. Реализация предлагаемых методов и приемов изменения структуры механизмов роботов и робототехнических систем требует разработки новых схемных и конструктивных решений специальных узлов, позволяющих при замыкании кинематических цепей получать требуемую подвижность соединений.

6. Для циклоидального манипулятора за счет использования упругих элементов с начальным натягом, благодаря которым изменяется структура, вместо мгновенных остановок могут быть получены конечные интервалы времени выстоя рабочего органа на позиции позиционирования.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем.

1. Предложены и обоснованы новые способы расширения манипуляциои-ных возможностей робототехнических систем путем изменения по этапам движений структур их механизмов.

2. Систематизированы и обобщены сведения о конкретных путях реализации идеи изменения структур механизмов робототехнических систем.

3. Предложен путь построения математических моделей робототехнических систем с переменной структурой механизмов.

4. Осуществлен анализ многоударных процессов изменения структур механизмов робототехнических систем при наложении кинематических связей.

5. Проработаны принципы построения упругих устройств с начальным натягом, используемых для получения дополнительных степеней свободы при преодолении силами взаимодействия начального натяга, в результате чего удается увеличивать или получать время выстоя.

Таким образом, в диссертации определены манипуляционные возможности и преимущества новых схем, схем манипуляторов переменной структуры, сформулированы и решены новые задачи механики, возникшие при проектировании манипуляторов нового типа. Перспективность построения роботов по новым схемам, подтверждена результатами математического моделирования.

Манипуляторы, предназначенные для обслуживания прессового оборудования, были использованы на автоматизированных участках изготовления деталей для пылесоса «Байкал» на ОАО У-УППО (г. Улан-Удэ). Спроектированные и изготовленные макетные образцы стыковочных устройств были испытаны и дали положительные результаты. Разработанные методики и результаты решения задач механики роботов используются в учебном процессе, при преподавании специальных дисциплин и при выполнении курсовых заданий и дипломных проектов в ВСГТУ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Изменение структур манипуляторов роботов во время их работы или может происходить в соответствии со спецификой функционирования, или осуществляется целенаправленно. Во втором случае важным средством повышения надежности вспомогательных промышленных роботов, является изменение структуры в интервалы времени захватывания и освобождения объекта. Показана перспективность этого пути.

2. Во многих практических задачах робототехники (захватывание объекта при наложенных на него механических связях, роботизированная сборка и пр.) па наиболее ответственных этапах происходит замыкание первоначально разомкнутых кинематических цепей манипуляторов. Для теоретического исследования процессов сформулированы предложения и предложены методики анализа с учетом переменности структуры.

3. Предложенная многоаспектная классификация свойств механизмов роботов переменной структуры по таким признакам, как путь изменения структуры, способ изменения связей, временные свойства изменения структуры и т. д. позволяет систематизировать большое многообразие принципиальных и схемных решений.

4. При целенаправленном изменении структуры наложение дополнительных геометрических связей в механизмах вспомогательных манипуляпи-онпых роботов часто осуществляется на начальном и конечном этапах переноса для повышения надежности и точности.

5. Специфика рассматриваемых систем с переменной структурой при наложении и снятии связей заключается в том, что по этапам движения следовало бы пересоставлять уравнения движения. Автором предложено использовать такую форму уравнений движения, которая сохраняет для всех этапов обобщенные координаты и общую структуру уравнений.

6. При переходе от этапа к этапу по определенным формулам, приведенным в диссертации, следует преобразовывать обобщенные импульсы и обобщенные скорости. Показано, что при математическом моделировании манинуляционных систем переменной структуры конкретных видов проявляются специфические эффекты, на которые следует обращать особое внимание при представлении и интерпретации результатов.

7. Математические модели кратковременных процессов изменения структур могут быть различными в зависимости от того, имеют место удары или нет, обычны процессы являются многоударными. Разработана методика анализа таких процессов.

8. Предложены принципиальные и схемные решения упругих устройств с начальным натягом, добавляющих лишние степени свободы, когда силы взаимодействия превосходят предельные значения, разработаны методики представления их характеристик в виде областей возможных положений и обоснованы методы расчетного определения их параметров.

9. Для циклоидального манипулятора рассмотрена задача получения конечного времени выстоя рабочего органа на позиции позиционирования за счет использования упругих перемещений выходного звена устройства стыковки с начальным натягом и количественно оценены возможности в этом плане.

10. Результаты испытаний, проведенных на спроектированном и изготовленном макете, подтверждают перспективность направления, правильность принятых автором принципиальных и схемных решений.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Никифоров С. О., Павлов А. Н., Сосоров Е. В. Компьютерное проектирование циклоидальных манипуляторов // Мат-лы 5-ой Всеросс. научно-технич. конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». — Улан-Удэ, 2004. — С.76−80.

2. Никифоров С. О., Павлов А. Н. Геометрия движений и управление быстродействующими роториыми манипуляторами // Современные проблемы машиностроения. Труды II Международной научно-технической конференции. — Томск: Изд-во ТПУ, 2004. — С.262−265.

3. Павлов А. Н., Никифоров С. О., Мархадаев Б. Е. К вопросу классификации режимов движения циклоидальных манипуляторов // Сборник докладов III конференции по фундаментальным и прикладным проблемам физики (молодых ученых, аспирантов и студентов). — Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2005. — С.53−56.

4. Никифоров С. О., Чистяков А. Ю., Павлов А. Н. Манипуляционные меха-тронные устройства при обслуживании высокопроизводительного оборудования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2004. — № 4. — С.35−40.

5. Мархадаев Б. Е., Никифоров С. О., Павлов А. Н., Чистяков A.IO. Полициклоидальные мехатронные системы: компоновочные структуры, тополог ия структур и траекторий, механика, управление и применение // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2004. — № 4. — С.25−34.

6. Павлов А. Н., Никифоров С. О. Требования к перемещениям объектов манипулирования и способы реализации устройств для их перемещений // Вестник машиностроения. 2006. -№ 3. — С. 14−18.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.