Технические науки / 11. Робототехника

Палий Б.Н.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»

Зміна керуючої програми промислового робота без зупинки виробничого циклу за допомогою автоматичного моделювання на основі математичної моделі

Незважаючи на очевидні недоліки промислових роботів (ПР) першого покоління [1], вони знаходять широке застосування в промисловості багатьох країн і інтегруються в різні робототехнічні комплекси (РТК) і гнучкі виробничі системи (ГВС) [2]. Однією з проблем експлуатації ПР першого покоління є необхідність жорсткого програмування функціонування кожного з цих пристроїв. Для програмування цих пристроїв використовуються методи ручного програмування або метод навчання. Ці операції досить трудомісткі і вимагають високої кваліфікації операторів, обслуговуючих дане обладнання. Крім того, виробники ПР самостійно розробляють мови програмування для своїх роботів [3]. Це призвело до того, що мови, які не відповідають одна одній і не стандартизовані. У такій ситуації використання різноманітного парку ПР призводить до значного ускладнення і подорожчання обслуговування такого виробництва. Таким чином, завдання управління ПР в довільних зовнішніх середовищах є одним з ключових завдань робототехніки.

В даний час розвиваються методи програмування ПР і РТК в режимі Off-Line. Особливістю цього методу програмування є відпрацювання всіх операцій, які забезпечують виконання технологічного процесу, на моделях цих пристроїв, а потім робиться безпосередньо програмування ПР і РТК. Цей метод програмування має істотні переваги над раніше перерахованими методами програмування, а саме:

- Зміна технологічного процесу або підготовка випуску нового обладнання виконується без зупинки основного обладнання;

- Програмне забезпечення, що використовується при моделюванні ПР, РТК і ГПС, дозволяє «програвати» різні схеми компонування, послідовності виконання операцій, використання різного обладнання;

- Є можливість оптимізувати за заданими критеріями функціонування як окремого пристрою, так і всього виробничого модуля.

Постановка завдання:

ПР - це багатовимірний, нелінійний і нестаціонарний об'єкт.Функціонування цього об'єкта виконується на основі деякого допустимого управління, що задовольняє фізичним, геометричним, кінематичним, сенсорним і інформаційним обмеженням.

Інформаційні обмеження - повна або часткова відсутність інформації про зовнішнє середовище. Передбачається, що зовнішнє середовище може бути без перешкод, з частково відомим розташуванням перешкод і з невідомим розташуванням перешкод.

Декомпозуючи розглянуту задачу, можна виділити основні підзадачі:

1) побудова плану траєкторії переміщення робочого інструмента ПР в умовах неповної інформації про зовнішнє середовище;

2) синтез функцій управління приводами, які забезпечать проходження робочого органа ПР по побудованій плану траєкторії;

3) перевірка синтезованих функцій управління з урахуванням сил і моментів, виникаючих в керованому механізмі, і їх вплив на якість управління;

4) синтез послідовності команд, за допомогою якої можна запрограмувати автономне виконання складною механічною системою заданої технологічної операції.

Підзадача 1. Рух маніпулятора до наміченої цілі виконується шляхом послідвної зміни станів маніпулятора. Послідовність зміни станів ПР визначає ефективність побудованого плану траєкторії і, в кінцевому підсумку, ефективність траєкторії переміщення робочого органу маніпулятора.

Планування траєкторії виконується з метою визначення ключових точок простору зовнішнього середовища ПР, через які повинна проходити траєкторія переміщення робочого органу ПР [4 -7]. Планування траєкторії можна виконувати як в кінематичному режимі, так і в динамічному режимі. У динамічному режимі план траєкторії будується з урахуванням динамічних характеристик виконавчого механізму ПР. У кінематичному способі план траєкторії будується з урахуванням того, що корекція буде виконуватися програмно на етапі управління [8].

Підзадача 2. Результатом роботи алгоритмів побудови плану траєкторії є таблиця значень узагальнених змінних моделюємого ПР при виконанні заданої технологічної операції. Ця таблиця є основою для побудови функцій управління.

Пряме використання цих даних для побудови безперервних функцій управління призводить до значних коливань робочого інструмента при виконанні запланованої технологічної операції. Це призводить до підвищеного зносу механізмів ПР, збільшення витрат енергоресурсів і зниження точності виконання операції.

Для вирішення цієї проблеми виконується згладжування таблиці узагальнених змінних. В основу цього методу згладжування покладена модифікація методу найменших квадратів, яка полягає у введенні додаткових умов: початкова і кінцева точки згладженою траєкторії повинні збігатися з початковим і кінцевом становищем робочого органу [9]. Потім, використовуючи будь-який метод апроксимації, будуються безперервні функції зміни узагальненої змінної в кожному приводі ПР. Надалі ці функції зміни узагальнених змінних будуть перетворені в функції управління приводами ПР.

Підзадача 3. Перевірка синтезованих функцій управління виконується шляхом моделювання функціонування ПР спільно з об'єктами зовнішнього середовища.Для цього використується система автоматизованого моделювання, що дозволяє проводити оцінку просторового розташування всіх об'єктів зовнішнього середовища в процесі функціонування, оцінювати кінематичні і динамічні характеристики рухомих об'єктів, оцінювати точність проходження траєкторії по синтезованим функціям управління, синхронізувати переміщення ПР і об'єктів зовнішнього середовища.

Оцінка просторового розташування ПР, РТК і всіх об'єктів зовнішнього середовища під час функціонування дозволяє оцінити траєкторії руху всіх рухомих об'єктів і визначити можливе зіткнення об'єктів зовнішнього середовища.

На основі інформації про просторове розташування об'єктів, що моделюються засоби візуалізації дозволяють побудувати графічний образ ПР, РТК і всього зовнішнього середовища.

У разі, якщо планування траєкторії проводяться в кінематичному режимі, можливе відхилення реальної траєкторії переміщення робочого органу ПР від запланованої. Використання динамічної моделі ПР дозволяє синтезувати коригувальну функцію, таку, що спільне використання основну та коректуючу функцію забезпечити проходження робочого органу ПР за запланованою траєкторію.

Підзадача 4. Різні типи ПР, як правило, мають різні системи команд. В зв'язку з цим для кожного ПР необхідно розробити окрему програму, що переводять синтезовані функції управління в систему команд конкретного ПР.

Застосування засобів автоматизованого моделювання дозволяє оцінити різні характеристики функціонування ПР ще на етапі проектування технологічних операцій, випробувати різні варіанти розміщення технологічного обладнання, оцінювати взаємодію всіх об'єктів ГПС. Розглянутий метод програмування на основі математичної моделі промислового робота і його зовнішнього середовища призводить до значного скорочення простою обладнання при модернізації виробництва.

Література

1. Тимофеев А.В. Адаптивные робототехнические комплексы. – Л. : Машиностроение, Ленинградское отделение, 1988. – 332 с.

2. Промышленные роботы: Внедрение и эффективность / К. Асан, С. Кигами, Т. Кодзима и др. – М. : Мир, 1987. – 384 с.

3. Скотт П. Промышленные роботы – переворот в производстве. – М. : Экономика, 1987. – 304 с.

4. Кобринский А.А. К построению движений манипуляционных систем / А.А. Кобринский, А.Е. Кобринский // Доклады АН СССР. – 1975. – 224, №6. – С. 1030–1033.

5. Верещагин А.Ф. Планирование траектории исполнительного органа манипуляционного робота / А.Ф. Верещагин, В.Л. Генерозов // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. – 1978. – №2. – С. 76–87.

6. Аксенов Г.С. Построение программных движений манипулятора при помощи ЭВМ / Г.С. Аксенов, Д.К. Воронецкая, В.Н. Фомин // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. – 1978. – №4. – С. 50–55.

7. Малышев В.А. Алгоритмы построения программных движений манипуляторов с учетом конструктивных ограничений и препятствий / В.А. Малышев, А.В. Тимофеев // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. – 1978. – №6. – С. 64–72.

8. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами. – СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2001. – 168 с.

9. Горитов А.Н. Сглаживание траектории перемещения рабочего инструмента робота-манипулятора / А.Н. Горитов, С.М. Алферов // Известия Томского политехнического университета. – 2006. – Т. 309, №8. – С. 176–179.