Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Диссертационная работа:

Васильев Иван Анатольевич. Автоматизированное управление многоцелевой робототехнической системой : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.05 / Васильев Иван Анатольевич; [Место защиты: С.-Петерб. политехн. ун-т].- Санкт-Петербург, 2008.- 152 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1085

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

Введение 4

1. Актуальность темы диссертации 4

2. Методы исследований 8

  1. Научная новизна диссертации 8

  2. Апробация работы и публикации 9

  3. Практическая ценность работы 9

  4. Содержание работы 9

Глава 1. Требования к космическим манипуляторам : 16

1.1 Общее описание типовых операций 16

1.2 Схемы выполняемых движений 23

  1. Разбиение операций роботов на технологические операции 30

  2. Операции и требования к программному обеспечению 36

1.5 Применение сенсоров при выполнении технологических операций 38

  1. Лазерные дальномеры 43

  2. Инфракрасные параллактические (базовые) дальномеры 44

  3. Тактильные датчики 44

  4. Акселерометры в составе инерциальных систем 44

  5. Видеосистемы СТЗ 44

  6. Силомоментные сенсоры 45

1.6 Пример использования сенсорики 45

  1. Перемещение к замку люка 48

  2. Открытие замка люка 48

  3. Извлечение ПГиз грузовой камеры 48

  4. Перенос полезного груза к месту стыковки 49

  5. Загрузка ПГ в грузовую камеру 49

  1. Постановка задач исследования 50

  2. Выводы по главе 1 52

Глава 2. Механика: геометрия и кинематика 54

2.1 Расчет кинематической схемы 54

  1. Системы координат механизма манипулятора робота 54

  2. Прямая задача кинематики 56

  3. Обратная задача кинематики 56

  1. Аналитическое решение обратной задачи кинематики 57

  2. Геометрический метод решения обратной задачи кинематики 62

2.1.4 Различные виды управлений, использующих решения задач кинематики 68

2.2 Вычисление коэффициентов уравнений динамики манипуляционного робота 72

  1. Описание исполнительного механизма робота 73

  2. Формирование уравнений динамики механической системы 73

2.3 Расчет моментов 75

  1. Методы вычислений 75

  2. Применяемые математические формулы 77

  3. Примеры типовых движений 78

2.3.3.1 Движение перехода из транспортного положения в рабочее (вертикальное).. 78

2.3.3.2 Движение из рабочего положения в обзорное для вертикали 81

2.3.3.3 Движение из рабочего положения в предстыковочное 84

2.3.3.4. Движение из предстыковочного в рабочее положение: 87

2.4 Выводы по главе 2 90

Глава 3. Алгоритмы программного обеспечения 93

  1. Построение траекторий в свободной и несвободной среде 93

  2. Алгоритмы отработки траекторий с учетом динамики манипулятора 96

  1. Учет упругих свойств 97

  2. Алгоритмы системы технического зрения (СТЗ) 98

  3. Описания некоторых технологических операций космического манипулятора.. 102

  1. Движение с СТЗ 102

  2. Локальный обзор 103

  3. Калибровка СТЗ 104

  1. Калибровка при использовании кондуктора 105

  2. Калибровка при использовании зеркала 107

3.6 Описание программной реализации 111

3.6.1 Описание управляющей части 112

  1. Классы связи и инициализации 112

  2. Дополнительные служебные классы 113

  3. Ввод информации 114

  4. Входной поток 115

  5. Вывод информации 115

  6. Выходной поток 116

  7. Классы управления 116

  8. Класс общего функционирования 118

  9. Регистрация классов в системе 118

  1. Описание общего функционирования системы 119

  2. Описание моделирующей части ПО 122

  1. Ввод информации 123

  2. Входной поток 123

  3. Вывод информации 123

  4. Выходной поток 123

  5. Класс управления 124

  6. Класс общей отработки 124

3.6.4. Описание функционирования модели 125

3.7 Выводы по главе 3 126

Глава 4. Реализация системы управления космическим роботом Dores 128

  1. Общие схемы управления исполнительными механизмами 128

  2. Характеристики основных элементов 135

  1. Характеристики основных элементов 136

  2. Сведения об испытаниях робота Dores 139

4.4 Выводы по главе 4 142

5. Заключение 144

Публикации автора по теме диссертации 146

1. Использованная литература 147

Введение к работе:

1. Актуальность темы диссертации

В настоящее время в робототехнике одно из наиболее актуальных и
перспективных направлений - разработка робототехнических систем (РТС),
предназначенных для обслуживания космических объектов, в первую
очередь роботизированных комплексов (РТК) для обслуживания

крупногабаритных орбитальных станций. Начиная с семидесятых годов XX
века работы по созданию РТС космического назначения в СССР, а затем в
России проводились в таких организациях Москвы и Ленинграда (Санкт-
Петербурга), как МВТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК, ИПМ им. Келдыша,
ВНИИТРАНСМАШ, ЦНИИМАШ и др. Из публикаций на указанную
тематику в первую очередь следует отметить монографии и статьи таких
ведущих ученых, как Е.И.Юревич, М.Б.Игнатьев, А.В.Тимофеев,

Ф.М.Кулаков, А.С. Ющенко. Актуальные задачи космической робототехники, начиная с восьмидесятых годов, регулярно обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах. ЦНИ РТК в течение многих лет является ведущим центром по обмену опытом в рассматриваемой области и по координации исследований по некоторым направлениям. Начиная с 1990 года в ЦНИИ РТК ежегодно проводятся всероссийская научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника", в программе которой тематика, связанная с освоением космоса, занимает значительное место.

Коллективом ЦНИИ РТК также внесен значительный вклад в космическую робототехнику, выполнена целая серия опытно-конструкторских работ. В первую очередь следует упомянуть доведенную до экспериментального образца разработку уникального большого манипулятора для космического корабля "Буран". Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию РТС космического назначения, в которых принимал участие автор, выполнялись и выполняются в ЦНИИ РТК с 1975 года по настоящее время согласно Постановлениям Правительства СССР и РФ и по договорам с Российским авиационно-космическим Агентством, РКК "Энергия", Европейским

Космическим Агентством, Космическим Агентством КНР и другими мощными специализированными организациями.

В 1999-2004 годы в ЦНИИ РТК была создана манипуляционная РТС "Dores", в научно-исследовательских разработках которой и в проектировании программного обеспечения принимал участие автор данной диссертации.

Данная диссертация, материал которой является результатом научного обобщения прикладных исследований, выполненных в процессе проектирования указанных РТС, посвящена разработке предметно-ориентированного языка для многоцелевых космических РТС на основе систематизации технических требований к подлежащих выполнению технологическим и вспомогательным операциям. Анализ, показал, что многообразие функций и операций с использованием космических РТС требует применения многоцелевых манипуляционных многостепенных систем.

В соответствии со спецификой требований, которые предъявляются к космическим РТС, автором обосновано разделение транспортных и манипуляционных задач по двум типам:

выполнение операций и осуществление обычно достаточно простых движений в больших объемах, на больших расстояниях и с крупногабаритными грузами при относительно невысоких точностях перемещения (такие работы, чаще всего, требуются при внекорабельной деятельности РТС, например, при транспортировании контейнеров);

выполнение операций и осуществление движений в относительно малых объемах ("на рабочем месте") с малыми грузами и нагрузками, при требуемой высокой степени точности перемещения, позиционирования и отработки программных траекторий в условиях взаимодействия с широким спектром разнообразного обслуживаемого оборудования (подобные работы осуществляются либо внутри космического корабля, либо вне корабля для небольших монтажных и ремонтных работ, не требующих перемещений крупногабаритных грузов).

Разработанный в ЦНИИ РТК и доведенный до экспериментального образца специализированный космический манипулятор "Dores", который предназначается для выполнения операций второго типа, способен выполнять широкий спектр сложных операций, таких, как

открытие/закрытие крышек люков, извлечение/помещение полезного груза из/в шлюзовой камеры, перемещение груза из одной точки крепления в другую, операции по обработке поверхностей и нанесения покрытий, информационно-измерительные операции, связанные со слежением (посредством встроенной системы технического зрения) как за летящими объектами (с целью их захвата), так и за техническим состоянием узлов и конструкций космической станции.

В условиях интенсификации использования космических станций для обеспечения условий выполнения широкого круга работ внутри отсеков и на внешней поверхности особую роль приобретает создание и использование РТС, оснащенных системами супервизорного управления с элементами адаптации и искусственного интеллекта. Характерными чертами таких РТС в будущем должны стать свойства автономности, мобильности, возможности осуществлять функции понимания, интерпретации и обработки информации, на высоких уровнях производить логические выводы и принимать решения. Необходимо учитывать, что как требуемая степень автономности при решении различных задач, так и неупорядоченность окружающей среды, для условий космоса будет неуклонно возрастать.

Обычная система управления (СУ) РТС, в соответствии с общими принципами теории автоматического управления и традициями в этой области может содержать децентрализованные подсистемы управления приводами каждой степенью подвижности с тремя контурами обратных связей (токовой, скоростной, позиционной) с соответствующими датчиками.

Для решения более сложных задач и реализации адаптивного управления помимо обычных датчиков обратных связей необходимы следующие внешние сенсоры и сенсорные системы: многокомпонентный силомоментный датчик, установленный в запястье рабочего органа; тактильные датчики; система технического зрения (СТЗ).

В ходе выполнения совместно с сотрудниками ЦНИИ РТК работ по расчету и проектированию специализированных космических РТС, перед автором данной диссертации в первую очередь были поставлены базовые задачи, непосредственно связанные с синтезом систем, законов и программ управления роботом при выполнении номинальных (штатных) операций. При этом наличие у робота адаптивных и интеллектуальных свойств позволит значительно повысить эффективность, надежность и качество

7 выполнения этих операций и расширит его возможности для других заданий при изменяющихся условиях. Поэтому задачи разработки приближенных методов анализа динамики роботов при ориентации на оперативное получение результатов с возможностью простого оценивания влияния различных факторов и требований нормирования являются актуальными. Перспективами расширения функциональных возможностей космических РТК определяется актуальность темы диссертации и расстановка в ней акцентов.

В данной работе поставлено целью разработать научные основы проектирования систем управления многоцелевых РТС космического назначения, предназначенных для выполнения на борту космической станции комплекса манипуляционных задач в режимах автоматического и супервизорного управления со свойствами адаптивности и искусственного интеллекта.

Для достижения формулированной цели в рамках настоящей работы решены следующие основные задачи адаптивного и интеллектуального управления:

разработать новый, эффективный способ создания унифицированного программного обеспечения РТС космического назначения;

проработать новый метод планирования движений манипулятора, опирающийся на базовый класс примитивов действий роботов в виде типовых или элементарных операций различного типа;

сформулировать и формализовать задачи управления на уровне установления целей и выработки заданий по поиску объектов и манипулированию с объектами с помощью системы технического зрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

кинематические и динамические математические модели типового механизма космического манипулятора с приводами;

методы построения сложных и комбинированных движений робота при выполнении типовых технологических и вспомогательных операций, набранных из элементарных примитивов;

принцип построения унифицированного программного обеспечения для управления манипуляторами;

- реализация указанного принципа в программном обеспечении
космической РТС.

2. Методы исследований.

При построении математических моделей и при решении задач геометрии, кинематики и динамики манипуляторов использовались методы теоретической и аналитической механики, теории механизмов. При обосновании предлагаемого метода составления программ движения для многоцелевых космических РТС используются методы декомпозиции, анализа и синтеза поставленных задач. При проведении на компьютере численных расчетов использовались универсальные программы Mathcad и Mathlab, а для выполнения сложных аналитических преобразований система Mathematica. Для моделирования движений самих манипуляторов использовался пакет моделирования ADAMS.

3. Научная новизна диссертации

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

предложен конструктивный путь построения упрощенной универсальной математической модели манипуляционной космической РТС, приспособленной для программирования движений и исследования задач кинематики и динамики;

- разработан новый способ оценки максимальных значений моментов в
шарнирах при типовых движениях манипулятора, который позволяет
унифицировано и эффективно проводить необходимые вычисления;

общие методы аналитического решения обратных задач позиционирования и управления по скорости доработаны для типовых кинематических схем манипуляторов РТС;

сформулированы и обоснованы способы формирования программных траекторий движения манипулятора;

предложен и обоснован новый подход к юстировке СТЗ на основе разбиения на элементарные операции.

4. Апробация работы и публикации.

Основные положения работы докладывались на международных научно-технических конференциях "Экстремальная робототехника" в ЦНИИ РТК, а также на международных конференциях «Интеллектуальные и многопроцессорные системы - 2003» (Геленджик, Россия), «MECHROB-2004» (Аахен, Германия) и «ISIE'2005» (Дубровник, Хорватия). Основное содержание диссертации отражено в семи публикациях.

5. Практическая ценность работы.

Практическая ценность заключается в том, что в ней для космического манипулятора предложены и обоснованы конструктивные подходы к декомпозиции любого вида сложных операций на элементарные (атомарные) операции, что позволяет единообразно программировать разнообразные движения и достаточно просто формировать в устройствах управления последовательность этих атомарных операций для всех возможных действий манипулятора.

6. Содержание работы.

Во Ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор диссертации по главам.

В первой главе сначала дается краткий анализ современного состояния космической робототехники. Далее на двух уровнях группируются и классифицируются типовые задачи, которые должен решать проектируемый манипуляционный робот на космической станции.

1. Сборочные работы (монтаж и сборка конструкций и их фрагментов; замена и ремонт модульных блоков отказавшего оборудования; сборка-разборка объекта по программе сборки; ремонт, обслуживание и обеспечение правильности функционирования летающих объектов; перемещение предметов на орбите к летающему объекту и его обзор; определение выхода из строя устройства на объекте; сближение и захват летающего объекта; прекращение аварийного вращения объекта; обслуживание, заправка, ремонт; установка, укладка или запуск).

  1. Специальные задачи технологии материалов, включая работу с особыми веществами (изготовление монокристаллов и электронных микросхем; сборка микросхем в вакууме; выращивание кристаллов; получение сплавов; манипулирование опасными для здоровья веществами; производство особых фармацевтических препаратов).

  2. Обслуживание грузового отсека, в том числе помещенных в нем спутников и средств для перемещения космонавтов в открытом космосе; смена блоков и приборов, кассет регистрирующих приборов; загрузка в бункеры; замена отдельных узлов; смазка узлов; перезарядка и дозаправка топливом спутников или самого корабля; исправление формы и замена поврежденных антенн; обработка поверхностей изделий; различного рода очистка, уборка; механообработка: резка, сверление, шлифовка; установка и затягивание винтов, болтов и гаек, клепка; осмотр рабочей зоны и доступного для обзора окружающего пространства; инспекция и контроль, в первую очередь, неразрушающий; диагностика и анализ неисправностей элементов отсека; калибровка средств измерений и контроля; техническое обслуживание и ремонт роботом самого себя.

  3. Элементарные операции сопряжения (вставка штепселей в отверстия; соединение разъемов электрических контактов; закручивание винтов; навешивание дверей на петли; стыковка-отстыковка специальных соединений трубопроводных магистралей и кабелей таких объектов, как радиаторы, гироскопические системы, солнечные батареи, люки шлюзовых камер, и т.д.; стыковка с орбитальным транспортным средством; захватывание и удержание объекта универсальным захватом; захватывание и удержание подвижного объекта при относительном движении; захватывание и удержание подвижным роботом неподвижного или подвижного объекта.

Перечисленные и многие другие операции могут быть представлены как последовательность элементарных технологических операций - фреймов действий роботов, которые далее будут являться основой для построения соответствующих модулей программного обеспечения, которые будут называться технологическими операциями (ТОП).

Вторая глава посвящена построению математической модели и расчетному исследованию конкретного космического шестистепенного манипулятора. Робот «Dores», спроектирован и изготовлен в экспериментальном экземпляре в ЦНИИ РТК в 1999-2001 годах, его

манипулятор представляет собой шестизвенный (шестистепенной) механизм с разомкнутой кинематической цепью, с тремя переносными степенями подвижности и с тремя ориентирующими. Он предназначен для частичной замены космонавтов во внекорабельной деятельности. Общий вид манипулятора представлен на рис. 1.

I - шарнир рыскания плеча; 2 - шарнир тангажа ппеча№ 3 - плечевое звено, 4- шарнир локтя,
5- шарнир тангажа кисти; 6 - шарнир рыскания кисти, 7- звено локтя, 8- шарнир крена кисти,
9- контроллер захваного устройства; 10- специализированное захватное устройство;

II -универсальное захватное устройство; 12 -телевизионная камера; 13- прожектора;
14 - плита основания.

Рис. 1 Общий вид манипулятора Dores Кинематическая схема этого манипулятора в произвольном положении с системами координат, связанными со звеньями, показана на рис. 2. Все кинематические пары - вращательные (плоские шарниры), приводы -встроенные в шарниры, электромеханические, механизмы передач -волновые редукторы. Протяженные участки звеньев манипулятора образованы замкнутыми профилями и имеют высокую жесткость. Рабочие

органы манипулятора - сменные, предусмотрен магазин рабочих органов, наполнение которого может пополняться различными инструментами.

Рис. 2 Кинематическая схема и системы координат манипулятора «Dores»

Результаты исследований, приведенные в данной главе, в которой использован и доработан применительно к механизмам многозвенных манипуляторов один из самых удобных способов построения систем координат звеньев по методу Денавита-Хартенберга, доказывают его перспективность. При использовании указанного формализма Денавита-Хартенберга, производится построение матричного уравнения, связывающего углы в шарнирах с требуемыми координатами рабочего органа.

Этот способ позволяет не только четко формализовать задание систем координат, но и единообразно задавать матрицы преобразования из системы координат, связанной с каждым предыдущим звеном, в систему координат последующего звена. Такой метод используется для описания геометрии и кинематики манипуляционного робота (прямая и обратная задачи

13 кинематики) и применяется при составлении динамических уравнений, а затем для решения прямой и обратной задач динамики. Практическая польза метода заключается в том, что процедура составления формул для решения прямых кинематической и динамической задач полностью формализована и возможен высокий уровень автоматизации составления общей математической модели.

Автором проработаны два метода решения построения геометрической модели манипулятора и решения обратной кинематической задачи. Первый метод - метод аналитического решения обратной задачи (при этом решения являются неоднозначными). Аналитический метод позволяет найти сразу все возможные решения, которые дают возможность осуществлять выбор максимально подходящего в конкретной ситуации и позволяют минимизировать не только время вычисления, но и сложность алгоритма. В свою очередь, уменьшение сложности алгоритма позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку и отладку алгоритма, и, как следствие, снизить себестоимость программного обеспечения.

В качестве наиболее перспективных, в максимальной степени соответствующих требованиям эргономики, автором проработаны такие алгоритмы ручного управления движением манипулятора по траекториям от задающих рукояток, при которых используются решения обратной задачи кинематики. Эти алгоритмы реализуют позиционно-скоростные законы управления. Перемещения задающих рукояток интерпретируются как задание модуля скорости, направление отклонения интерпретируется как задание направления движения.

Рассмотрены процедуры вычисления коэффициентов уравнения динамики робота-манипулятора. Для этого используются матричные уравнения динамики в форме Лагранжа. Такие уравнения имеют удобную форму как для моделирования, так и для синтеза управлений, так как позволяют получить матрицу инерции механической системы в явном виде. На основе разработанной автором общей методики анализа динамики манипуляторов с разомкнутыми кинематическими цепями выполнен анализ экспериментального образца космического робота "Dores ". Для определения параметров приводов шарниров получены общие выражения для моментов, которые возникают в шарнирах при выполнении набора типовых движениях робота при действии внешних сил, и проведено их исследование по

14 результатам численных расчетов. Исследования доведены до конкретных, подробно обоснованных рекомендаций по изменению параметров приводов, реализованных в рассматриваемом экспериментальном образце. Эти рекомендации основаны на следующих фактах.

В третьей главе приведены некоторые алгоритмы, используемые в подсистемах космического робота "Dores". Во-первых, описаны алгоритмы построения программных траекторий движения манипулятора с учетом нескольких ситуаций:

  1. Алгоритмы построения траекторий при движении в свободной среде и при наличии препятствий.

  2. Алгоритмы отработки траекторных измерений с учетом динамики манипулятора.

  3. Алгоритмы управления движением с учетом упругости манипулятора.

Далее описаны алгоритмы СТЗ, которая выполняет следующие основные функции:

выделение и опознавание идентификационных графических примитивов выделенных объектов;

определение координат целевых точек реперного типа;

использование в системе безопасности движения для контроля отсутствия угрозы столкновения;

модификацию модели мира, при появлении новых визуальных элементов в рабочей зоне робота;

привязка подвижного технологического модуля (ТМ) к модели мира;

оценка положения звеньев ТМ в случае значительного упругого прогиба для введения коррекции на величину прогиба;

использование в системе технической диагностики в качестве внешнего дополнительного датчика.

Показано, каким образом СТЗ принципиально позволяет реализовать:

адаптивную систему юстировки;

возможность работы с частично неисправным роботом (например, при отказе некоторых датчиков углов поворота в шарнирах);

визуальный контроль работоспособности и определение неисправностей и

опасных ситуаций.

Далее подробно описываются некоторые технологические операции космического манипулятора:

  1. Движение с СТЗ. Этот режим требуется для контроля за окружающей обстановкой: определение неизвестных препятствий, контроль рабочего органа манипулятора и проведение сборочно-разборочных операций.

  2. Локальный обзор. Эта технологическая операция с использованием СТЗ необходима для контроля, диагностики и замены элементов, устройств и конструкций космических объектов.

  3. Калибровка СТЗ. Рассмотрены два способа калибровки: общеупотребительный с использованием кондуктора и оригинальный, разработанный автором способ, в котором используется зеркало.

Во второй половине третьей главы подробно описана программная
реализация системы управления. Главная задача, решенная здесь, это способ
построения унифицированного ПО, которое быстро может быть
переналажено на выполнение дополнительных операций и/или на управление
другим робототехническим средством. Надо отметить, что это ПО, однажды
реализованное, на сегодняшний день управляет не только манипулятором
"Dores", но и другими РТС: манипулятором мобильного комплекса
«Берлога-Р», космическим манипулятором «Аист», мобильной

робототехнической платформой.

Главная идея подобного построения ПО заключается в разделении потока ввода информации от датчиков, потока вычисления управления, и потока вывода управления на привода. Построена четкая и прозрачная иерархия классов (объектов) и каналы обмена информацией между ними. Перенастройка ПО на другую РТС занимает порядка одного - двух часов рабочего времени.

В четвертой главе описана аппаратная реализация манипулятора. Приведены технические характеристики приводов и их структурные схемы. В заключение главы описан разработанный автором способ испытания на точность с помощью измерительных приборов.

Выводы сформулированы отдельно по главам, в концентрированном виде они представлены в Заключении.

Подобные работы
Ифанов Андрей Владимирович
Структура и управление манипуляционных систем технологических роботов при лазерной резке объемных объектов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net