Управление сборочными движениями манипуляционных систем

Карташев, Владимир Алексеевич

Автореферат диссертации на тему "Управление сборочными движениями манипуляционных систем"

■ На правах рукописи

7

Карташев Владимир Алексеевич

УПРАВЛЕНИЕ СБОРОЧНЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Специальность: 01.02.01 Теоретическая механика

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Институте прикладной математики имени М.В.Келдыша Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Д.А.Корягин, Доктор физико-математических наук, профессор А.М.Формальский, Доктор физико-математических наук, профессор С.А.Зенкевич

Ведущая организация: Институт проблем механики РАН

Защита состоится "_"_2000 г. в_часов

на заседании диссертационного Совета Д.002.40.01 при Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша Российской академии наук по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ИПМ им. М.В.Келдыша РАН.

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.002.40.01, доктор физико-математических наук

К680.2,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Роботизированная сборка представляет интерес для исследований по управлению манипуляционными системами в связи с тем, что соединение деталей осуществляется с помощью сложных и зачастую искусных движений. На время выполнения сборочных операций часто накладываются жесткие временные ограничения. Необходимость минимизации времени сборки сильно усложняет и без того трудную задачу построения управления движениями сборочной манипуляционной системы, однако это необходимо для того, чтобы обеспечить требуемый уровень экономической эффективности сборочного процесса.

Возможности современной техники позволяют реализовать роботизированную сборку весьма сложных изделий машиностроения. Однако до настоящего времени не удалось достичь достаточно высокого уровня экономической эффективности роботизированных производств. Это не позволяет считать имеющиеся решения оптимальными и служит основанием для поиска новых решений, которые обеспечили бы более полное использование функциональных возможностей манипулятора при выполнении им сборочных движений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке новых методов решения задач управления сборочными движениями, которые обеспечивают необходимую эффективность функционирования сборочной манипуляционной системы при использовании штатных средств управления. Работа включает в себя:

• поиск новых режимов движения, которые могут быть реализованы штатными средствами управления;

• разработка новых способов управления сборочными движениями, которые позволяют шире использовать кинематические возможности манипулятора;

• разработка эффективных методов решения задач управления движениями и обучения робота сборочным движениям;

• исследование новых приемов управления и способов оптимизации сборочных движений на натурных макетах сборочных комплексов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа является теоретическим обобщением результатов экспериментальных исследований по разработке управления различными фазами сборочного движения.

Поиск режимов движения с необходимыми свойствами осуществлялся экспериментально в связи с тем, что трудноформапизуемые сложные ограничения, которые накладывает система управления на движения манипулятора, делали невозможным применение аналитических и численных методов. Обнаруженные в экспериментах закономерности движения манипулятора позволили объяснить достаточную высокую стабильность основных па-

раметров найденных режимов движения. Алгоритмы движений отработаны в многочисленных разнообразных условиях применения.

Найденные режимы движения позволили получить новые решения задач управления для всех фаз сборочного движения. В работе доказывается оптимальность получаемых решений, теоретически исследуются необходимые условия успешного выполнения движений.

Большое место в работе уделено решению задач, возникающих при практическом применении разработанных методов. Необходимость этого связано с тем, что для практического применения наиболее удобными являются такие методы сборки, которые позволяют выполнить соединение всех деталей по единой технологии. По этой причине, а также в связи с тем, что исследования выполнялись в рамках работ по разработке новой техники, проводившимися различными организациями, для экспериментов использовались натурные макеты сборочных комплексов, предназначенных для многооперационной сборки целого узла, и управление всеми сборочными движениями совершенствовалось в такой степени, чтобы обеспечивалась высокая надежность сборки при наибольшей производительности.

Несмотря на очевидную сложность и трудоемкость, использовавшаяся методика исследований оказалась чрезвычайно полезной, так как позволила найти новые нетрадиционные методы решения уже известных задач и сформулировать некоторые новые задачи.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Новыми являются следующие результаты диссертационного исследования.

1. Исследование ограничений, которые накладывает система управления на реализацию сложных движений манипуляционной системы.

2. Решения задач управления движениями для всех фаз сборочной операции, которые могут быть реализованы с помощью штатных средств управления манипуляционной системой.

3. Способ аналитически-позиционного обучения движениям, разработанный с использованием найденных решений задач управления, который соединяет в себе преимущества аналитического и позиционного обучения.

4. Способы реализации сборки, которые позволяют учесть особенности кинематики манипулятора и его функциональные возможности по исполнению сложных адаптивных движений для существенного увеличения производительности некоторых сборочных операций и сборочного процесса в целом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Исследования выполнялись по заказам промышленных организаций, которые были заинтересованы в отработке найденных решений с учетом конкретных условий применения мани-пуляционных систем. Поэтому созданные в процессе работы лабораторные комплексы одновременно использовались в качестве инструмента исследований и для демонстрации получаемых результатов.

Результаты натурных экспериментов показали, что разработанные методы управления и обучения движениям являются более эффективными, чем применяемые в настоящее время.

Впервые продемонстрировано выполнение сложных соединений промышленным манипулятором без использования силоизмерительного датчика, что позволяет упростить и удешевить конструкцию роботизированного сборочного комплекса. Продемонстрирована возможность оптимизации траекторий транспортных перемещений прямо на комплексе с использованием только штатных средств задания движений.

Разработана система обучения сборочным движениям, которая делает возможным уменьшить на порядок трудозатраты на разработку сложных сборочных движений при одновременном увеличении производительности сборки за счет использования оптимизированных макродвижений.

Показано, что разработанные методы могут успешно применяться не только в роботизированной сборке серийных изделий машиностроения, но и для выполнения сборочных операций специализированными технологическими манипуляционными системами.

Теоретическое обоснование предлагаемых методов управления позволяет наметить пути дальнейшего совершенствования манипуляционных систем и роботизированных технологий.

Большая часть исследований выполнялась в рамках хоздоговорных работ с Центральным научно-исследовательским технологическим институтом (ЦНИТИ). Часть исследований выполнялась в интересах ПО Нижегородский машиностроительный завод.

Результаты исследований использовались в работах, проводившихся различными научно-исследовательскими и конструкторскими организациями по заданиям и программам правительства (ВНИИСТРОЙДОРМАШ и НПО Энергия).

В диссертацию включена часть результатов этих исследований, которая касается методических вопросов управления движениями сборочной ма-нипуляционной системы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Различные части работы неоднократно обсуждались на научных семинарах, конференциях и съездах в России и за рубежом. В том числе: на 3-м Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Киев, 1987), на 1-м Всесоюзном съезде технологов-машиностроителей (Москва, 1990), на 5-й Международной школе PRACTRO-90 (Болгария, 1990), на 7-й Всесоюзной конференции по управляемым механическим системам (Свердловск, 1990), на Международной конференции IEEE-35: Robotics and Automation (France, Nice, 1992), на Всероссийском семинаре по управлению системами с элементами искусственного интеллекта (Москва, 1993), на Отраслевой конференции по развитию космических систем обслу-

живания (Калининград, 1994), Международной конференции Адаптивные роботы и вБЬТ (Санкт-Петербург, 1998).

Разработанные методы управления успешно прошли межведомственные испытания в составе программного обеспечения сборочного переналаживаемого комплекса (КСП-1), по результатам которых получили рекомендацию для использования в отрасли.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована 31 работа. Содержание глав 2, 3 и 5 отражено в публикациях 1 - 3. Содержание глав 4-8 опубликовано в работах 4-12. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во ВВЕДЕНИИ обсуждается современное состояние проблем, которые исследуются в диссертации, формулируются цели исследования и кратко излагаются полученные результаты.

Управление роботизированной сборкой является управлением движением сложной механической системы, включающей манипуляционный комплекс и собираемое изделие, которые взаимодействуют друг с другом в процессе соединения деталей по заданной программе движения манипулятора. Управление сочленением деталей является достаточно сложной задачей, так как зазоры измеряются тысячными долями миллиметра и при малейшем перекосе происходит заклинивание. Сборка традиционно считается наиболее сложным применением манипуляционных систем. Она предъявляет высокие требования к точности работы манипулятора, сложности управления и эффективности работы комплекса в целом.

Вместе с тем, сборка является одной из самых перспективных областей применения роботов, так как доля сборочных работ на производстве достаточно велика и в некоторых отраслях доходит до 70 % трудозатрат в общем объеме технологических операций. Существенное значение имеет также то, что сборку некоторых изделий невозможно осуществить автоматами по причине конструктивных особенностей изделия или большого разнообразия модификаций.

В силу перечисленных причин роботизированная сборка связана с разработкой управления сложными сборочными движениями. Однако, как показали исследования, сложность движений, которые могут быть реализованы манипуляционной системой, ограничена рядом факторов, связанными с особенностями процесса разработки управления. Движение должно просто задаваться для того, чтобы трудоемкость разработки управления не была слишком большой. Способ задания движения должен обеспечить надежность предсказания движения манипулятора, для того, чтобы исключить случайное задевание за оборудование, находящемся на сборочными столе.

Управление должно обеспечивать также безопасность при возникновении непредвиденных препятствий, которые встречаются при настройке и которые также нельзя исключить в процессе эксплуатации сборочного комплекса. Одновременно обеспечить широкие возможности по реализации сложного движения и перечисленные требования достаточно сложно, что приводит к ограничениям в реализации движений со стороны системы управления.

Эти ограничения рассмотрены в ГЛАВЕ 1 диссертации на примере ро-бототехнической сборочной системы ПРАГМА А-3000.

Робототехническая система ПРАГМА А-3000 состоит из двух манипуляторов с ортогональной кинематической схемой. Каждый манипулятор имеет три линейных транспортных степени подвижности и одну ориентирующую. Таким образом количество имеющихся степеней подвижности меньше, чем требуется для управляемого совмещения осей деталей.

Номинальная грузоподъемность манипуляторов - 12 Н(1,2 кГс), максимальная - 100 Н(10 кГс). При превышении максимальной нагрузки система управления автоматически отключается. Таким образом при сборке невозможно сильное надавливание на деталь.

Разрешающая способность датчиков положения составляет 0,025 мм, точность позиционирования манипуляторов - 0,05 мм, люфты - 0,3 мм. Это не позволяет осуществлять сборку только за счет точной установки деталей на сборочном столе.

Манипуляторы управляются позиционной следящей системой управления. Движение между программными точками содержит три фазы: разгон до заданной скорости, движение с постоянной скоростью, торможение до полной остановки. Координация движения степеней подвижности отсутствует.

Заданная скорость движения реализуется на среднем участке траектории, если длина отрезка программного перемещения больше дистанции разгона и торможения.

В команде движения обязательно указываются координаты целевой точки (только одной). Целевая точка называется программной точкой движения, желаемая скорость перемещения - программной скоростью движения. После загрузки следящей системы программными значениями параметров движения интерпретация рабочей программы прекращается до появления признака достижения заданной окрестности программной точки, который вырабатывает следящая система. Величина окрестности задается вместе с другими параметрами движения: позицией и скоростью. Этот параметр называется параметром высвобождения.

Следует заметить, что управление движениями манипуляторов, которые применяются в промышленности, в целом реализуется сходным образом. Отличием робототехнического комплекса ПРАГМА А-3000 является возможность задания параметра высвобождения. Кроме рассматриваемого

комплекса параметр высвобождения может задаваться в системе программирования VAL II манипулятора PUMA. В некоторых манипуляторах (KUKA и др.) допускается переход на нужный набор констант управления (включающий величину параметра высвобождения, который трактуется как точность работы следящей системы). Результаты диссертационного исследования показывают, что возможность оперативно управлять величиной параметра высвобождения существенно расширяет возможности по реализации сложных адаптивных движений манипуляционной системы.

Особенности задания и исполнения движения манипуляционных систем ограничивают сложность движений, которые являются допустимыми, исходя из возможностей кинематической схемы и системы управления.

Например, траектория движения манипулятора задается последовательностью команд движения в промежуточные точки. Промежуточные точки, как и задаваемая ими траектория движения, не достигаются, так как движение в очередную точку начинается до достижения предыдущей. В итоге реализуемая траектория отличается от заданной и само движение оказывается неравномерным. При этом, чем большее число промежуточных точек используется для задания траектория, тем меньше ошибка в реализации движения (что, впрочем, естественно) и тем медленнее манипулятор будет двигаться по траектории ввиду замедления при прохождении промежуточных точек.

Тонкие движения, которые построены из участков коротких перемещений, выполнимы с приемлемой точностью (десятые доли миллиметра) только при малых скоростях (порядка 1 мм в секунду), что на практике ограничивает сложность таких движений.

Таким образом при представлении траекторий движений в виде последовательности точек задача управления сложными движениями становится некорректной, так как фактическое движение может сильно отличаться от заданного.

Процесс соединения деталей ненаблюдаем ввиду того, что точность измерения координат намного больше зазоров между деталями. Ненаблюдаемость также проявляется de facto в том, что при наталкивании манипулятора на препятствие система управления автоматически (и, что самое неприятное, бесконтрольно) выключает двигатели и выключается сама. Такая реакция на аварийную ситуацию, хотя и кажется естественной по соображениям безопасности, на деле затрудняет реализации движений, выполняемых в контакте с рабочей средой.

Наиболее существенными рассмотренные ограничения оказываются для классических методов анализа и синтеза движений, основанных на решении уравнений динамики и оптимизации функционалов. В настоящее время такой подход к решению задач управления сборочными движениями

получил наибольшее распространение. Проблемы в применении традиционной методики связаны с тем, что точность измерения координат степеней подвижности недостаточна для того, чтобы однозначно судить о точках контакта соединяемых деталей, штатный состав датчиков, которые обычно устанавливаются на манипуляторе не позволяет измерять направления и величины сил, возникающих в точках контакта. Решения задач управления обычно основаны на непрерывном управлении, однако штатные средства управления манипулятором соответствующих средств задания движения не содержат.

Вместе с тем, результаты диссертации показывают, что задачи управления сборочными движениями имеют решения, которые можно адекватно реализовать с помощью штатных средств задания движения. Для решения этих задач используются методы, которые хотя и являются известными, так как применяются в других областях механики, в робототехнике являются нетрадиционными.

Разработанные методы решения задач основаны на иных способах обеспечения наблюдаемости хода соединения деталей и использовании других управляющих параметров движения, чем те, которые используются в настоящее время. Они были найдены в результате длительных экспериментов на натурных макетах сборочных комплексов.

В качестве одного из них использовался комплекс ПРАГМА А-3000, на котором был реализован процесс многооперационной сборки редуктора. Объект сборки был предложен заказчиком, так как он включает большинство распространенных в отрасли сложных соединений: резьбовые соединения, соединения с микронными зазорами, соединения шестерен зуб в зуб и др. Некоторые зазоры на порядок меньше разрешающей способности датчиков положения и на два порядка меньше люфтов. Наличие в собираемом изделии нескольких разнотипных соединений помогает выявить ограничения в использовании исследуемых способов управления. Кроме того, следует учитывать, что соединение деталей в сборочном процессе обычно реализуется по однотипной технологии, поэтому практическая ценность предлагаемого управления существенно повышается, если удается продемонстрировать сборку целого узла.

Редуктор содержит 26 деталей. Робот собирает его на одном рабочем месте. Многооперационная сборка позволила обойтись без транспортной системы и тем самым упростить конструкцию комплекса.

Несмотря на наличие сложных соединений, удалось реализовать надежную качественную сборку с помощью достаточно простой сборочной оснастки: электрического гайковерта, двух несложных приспособлений и двух комплектов губок (по одному на каждый манипулятор), форма которых обеспечивает однозначное положение каждой детали относительно манипулятора после закрытия схвата.

Оптимизация всех сборочных движений обеспечила более высокий темп роботизированной сборки, чем при сборке вручную. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. Возможности применения классических методов для решения задач управления сборочными движениями ограничены ненаблюдаемостью процесса соединения деталей с помощью датчиков положения и большими погрешностями в реализации динамики и траектории движения в случае представления ее в виде последовательности промежуточных точек.

Успешная реализация натурного макета сборочного процесса редуктора показала, что сборку изделия, содержащего сложные соединения, можно реализовать с помощью штатных средств управления и использовании информации от датчиков положения степеней подвижности, т.е. без оснащения манипуляционной системы силоизмерительным датчиком.

Высокая надежность сборочного процесса достигается с помощью сложного управления, включающего контроль каждого движения, применения сложных разветвленных алгоритмов соединений, в которых каждый сборочный переход выполняется отдельным алгоритмом. Это позволяет исключить отключение манипулятора по перегрузке приводов в случае, когда деталь не попала в посадочное гнездо. При обнаружении невозможности выполнить сборочный переход основным движением предусмотрено выполнение дополнительных движений. Таким образом движения манипулятора при сборке являются составными в связи с потенциальной невозможностью вставить деталь одним движением манипулятора, т.е. одной командой перемещения в целевую точку и необходимостью выполнять дополнительные движения при обнаружении препятствия основному движению.

В ГЛАВЕ 2 описываются методы адаптивного управления движением манипулятора при соединении деталей, которые были разработаны в исследованиях, проводившихся на робототехническом комплексе ПРАГМА.

Как указывалось, проблема разработки адаптивного управления сборочным движением связана с решением вопроса об обеспечении наблюдаемости хода соединения. Наиболее распространенный способ обеспечения наблюдаемости состоит в использовании датчика для измерения сборочного усилия. Адаптивный алгоритм перемещает схват по вектору поперечной составляющей сборочного усилия, минимизируя ее величину. Для надежной работы алгоритма требуется выполнения ряда условий: точное измерение вектора сборочного усилия, точное отслеживание траектории манипулятором, малые задержки в реализации управления (динамичный манипулятор, высокопроизводительная управляющая микроЭВМ, простой алгоритм вычисления корректирующего воздействия), высокое качество сопрягаемых поверхностей (для того, чтобы избежать застревания и исключить связанную с этим неопределенность в интерпретации измеряемого усилия). Каждое из

этих условий ограничивает область применения такого способа адаптации. На практике важным является также то, что выполнение сформулированных выше условий связано с большими затратами.

Оказалось, что существует более простой способ обеспечения наблюдаемости хода соединения. Его предложила группа исследователей Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН (Д.Е.Охоцимский, С.С.Камынин, А.К.Платонов и др. Исследование многооперационной сборки с помощью экспериментальной робототехнической системы. В кн. Роботизация сборочных процессов, М. Наука, 1985.) Адаптивное управление строилось на использовании глобального критерия: контроле попадания (или не попадания) детали в отверстие.

Несмотря на кажущуюся скудность получаемой информации о ходе соединения деталей, ее оказывается достаточно для построения адаптивного управления ходом достаточно сложных соединений. Надежность сборки достигается с помощью сложных разветвленных алгоритмов, которые обеспечивают контроль за ходом соединения и запуск вспомогательных движений при заклинивании. Сборочное движение представляет собой ориентированный граф поддвижений.

Затруднения в применении этой методики для промышленных манипуляторов связаны с тем, что исследования проводились со специальной следящей системой, которая не отключалась при возникновении возмущений заданному движению и имела ряд дополнительных функций.

Рассмотренная методика развита в диссертации и продемонстрирована возможность ее использования для промышленных манипуляционных систем. Этого удалось достичь благодаря разработке специальных режимов движения манипулятора, которые позволяют определять наличие препятствия движению до отключения приводов и своевременно скорректировать дальнейшее движение.

Исследования показали, что при наталкивании на препятствие в малой (около 1 мм) окрестности программной точки мгновенного аварийного выключения системы управления не происходит. Возникновение препятствия движению может быть установлено по замедлению изменения показаний датчика положения или невозможности достичь целевую точку за отведенное время. Окрестность, в которой возможен останов движения без аварийного выключения приводов по перегрузке, назван зоной остановки. Наличие зоны остановки, связано с малыми управляющими токами в зоне дотягивания при малых отклонениях измеренной позиции по отношению к заданной.

Возможность определять возникновение препятствия на конечном участке движения по показаниям датчиков положения продемонстрирована не только для робота ПРАГМА А-3000, но также для робота РМ-01 и большинства степеней подвижности робота УНИВЕРСАЛ-5.

Величина усилия остановки манипулятора варьируется от некоторого минимального значения до максимальной нагрузки. Зависимость усилия остановки от параметров движения может рассматриваться как жесткость следящей системы. Указанная зависимость и размер зоны остановки достаточно стабильны для конкретного робота и сильно различается для разных моделей роботов.

Если усилие остановки (как в случае сборки редуктора) является допустимой нагрузкой на детали, то информацию о наличии препятствия движению можно получать с помощью датчиков положения степеней подвижности, т.е. без силоизмерительных датчиков.

В случае, когда ошибка, с которой известно положение препятствия не превышает зоны остановки, то используется контроль по возможности завершить движение за заданное время. При больших неопределенностях в положении препятствия применяется режим движения за бегущей точкой, в котором целевая точка программно смещается на каждом цикле на небольшое расстояние. Эти способы позволили применять общую методику определения препятствия для датчиков, которые имеют различный рабочий ход и чувствительность.

В диссертации предложены два новых адаптивных сборочных движения "поиск с откатом" и "вставление с высвобождением".

"Поиск с откатом" является развитием известного поискового движения по спирали. В предложенном движении делаются попытки вставить деталь из позиций, расположенных на раскручивающейся спирали с центром в начальной точке, заданной при обучении. Если вставить деталь из данной позиции невозможно, то схват приподнимается, и опробывается следующая точка спирали.

"Поиск с откатом" осуществляет перебор начальных позиций, из которых возможно соединение деталей. Этим он отличается от большинства применяемых в робототехнике, в которых нужная траектория получается коррекцией текущего положения вставляемой детали. Следует заметить, что способ управления по выбору начальной позиции известен в других областях механики управления движением. В качестве примера можно привести метод пристрелки в теории стрельбы.

Эксперименты показали, что подъем манипулятора перед очередной попыткой необходим, так как ввиду небольшой податливости крепления детали в схвате сместить ее в новую позицию без подъема удается не всегда (перемещению препятствует сила трения основания детали о посадочное гнездо).

Шаг спирали является настраиваемым параметром. Его величина определяется геометрическими условиями сопряжения. В рассматриваемых примерах конструкция заходных поверхностей рассчитаны под ручную сборку. Наличие фасок упрощает наживление деталей. Алгоритм наживле-

ния позволяет расширить зону сборки и гарантировать соединение при значительных отклонениях вставляемой детали от оси отверстия.

В диссертации приведен пример расчета шага спирали. Шестерня оказывается наживленной, когда нижняя кромка детали полностью находится внутри посадочного гнезда. Угол q наклона детали при наживлении (угол скрещивания), величина заглубления х, диаметр отверстия <1 и зазор б связаны соотношением q=s/(dq+z). Чем больше заглубление детали, тем меньше угол скрещивания и тем меньше должна быть ошибка в положении детали перед началом сборки. Наилучшие соотношения между величиной заглубления и допустимым значением угла скрещивания получаются при условии

Геометрические условия наживления выполнены, если отклонение вершины детали от оси посадочного гнезда не превышают ql (I - длина детали). Из этого следует, что шаг спирали не должен превышать 2ql. Для шестерни (длина оси 1=150 мм), которая вставляется в посадочное гнездо подшипником (диаметр с!=53 мм) по скользящей посадке (зазор до б=5 мкм) при заглубления г=1 мм шаг спирали достаточно выбрать равным 1 мм. Эксперименты по подбору шага спирали для различных деталей подтвердили правильность полученных оценок.

Второй способ выполнения сборочного движения "сборка с высвобождением" выполняется после наживления детали. Способ состоит в одновременном выполнении двух действий: разжатии схвата и надавливании манипулятором на деталь. Прием "сборки с высвобождением" схож с известными приемами "сборкой надавливанием" и "сборкой силой тяжести", которые применяются в автоматической сборке.

При надавливании манипулятором на деталь она входит в отверстие сборочного гнезда, ценгрируясь его образующими. Излишние связи, препятствующие центрированию деталей, удаляются в процессе разжатия схвата. Такой способ сборки представляет интерес в связи с тем, что он состоит в достаточно точной синхронизации движения двух степеней подвижности, которая выполняется на верхнем уровне управления - уровне рабочей программы, причем одна из степеней подвижности имеет пневматический привод.

Достаточные условия собираемости деталей способом "вставления с высвобождением" получены из аналитической модели соединения. В плоскости ОХ2 движение детали описывается уравнениями динамики:

шг" = 1x^ + 111 + Ы2; ^"=М + М1+М2; где т - масса детали, I - момент инерции относительно оси ОХ, г - радиус-вектор центра масс, q - угол между осью шестерни и осью 02, g и М - вектор и момент силы тяжести, и (1=1,2) - силы и моменты (относительно оси ОУ) реакций в точках контакта.

Показано, что, если заглубление и угол скрещивания удовлетворяют сформулированным выше условиям наживления, то после разжатия губок вставление детали произойдет под действием силы тяжести. Для этого достаточно, чтобы в процессе наживления в точках контакта деталей имело бы место трение скольжения. Это условие выполняется, если переход от наживления к вставлению осуществляется плавно, без остановки. Скорости движения манипулятора и разжатия губок должны быть скоординированы с тем, чтобы разжатие губок произошло в процессе движения. Деталь не должна застрять из-за позднего разжатия губок. Губки не должны раскрыться до завершения наживления. Эксперименты показали, что координации удается достичь после выполнения небольшого количества пробных движений. Скорость "сборки с высвобождением" оказывается достаточно высокой - порядка 10-20 мм/сек.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2. Особенности работы цифровой следящей системы при малых отклонениях от целевой точки движения делают возможным надавливание манипулятором на препятствие без аварийного выключения приводов. Существование режима контактного взаимодействия установлено у нескольких типов промышленных роботов.

Разработаны способы управления, которые позволяют контролировать возникновение препятствия движению. Разработана методика реализации сборочных движений, использующая информацию о возникновении препятствия сборочному движению для контроля хода соединения деталей. Таким образом наблюдаемость процесса соединения деталей может быть достигнута путем использования особенности работы цифровой следящей системы в малой окрестности целевой точки.

Разработаны новые способы наживления и соединения деталей: "поиск с откатом" и "вставление с высвобождением", позволяющие выполнять сборку с малыми зазорами.

В ГЛАВЕ 3 рассматривается задача минимизации времени выполнения транспортных перемещений в вертикальной плоскости для манипуляцион-ной системы, которая имеет ортогональную или цилиндрическую кинематическую схему.

Решение этой задачи важно для манипуляционных систем циклического действия (например, сборочных или локомоционных), так как на долю таких движений приходится большая часть выполняемых ими движений.

Построение оптимальной траектории обычно сводится к численному решению задачи минимизации времени транспортного перемещения при пространственных ограничениях с целью исключения столкновений манипулятора с предметами на сборочном столе, учета в той или иной форме динамики звеньев и ограничений по скоростям движения степеней подвижности или управляющих токов в двигателях. Ввиду естественной сложности эти

расчеты выполняются вне системы управления роботом. В связи с этим представляет интерес излагаемый в диссертации способ оптимизации транспортных перемещений, который использует лишь штатные средства задания движения.

Задача минимизации рассматривается для вертикальной сборки т.е. такой сборки, в которой детали вставляются в базовую деталь вертикальным движением. Предполагается, что система управления робота позволяет задавать величину окрестности программной точки, при достижении которой манипулятор может быть перенацелен на движение в очередную точку. Возможность начинать движение к следующей точке, до достижения текущей программной точки, позволяет сглаживать траекторию в промежуточных точках и за счет этого экономить время достижения конечной точки движения. Траектория движения схвата при этом представляет собой ломаную кривую со сглаженными углами. Сглаживание углов происходит в переходном процессе движения из текущей целевой позиции в новую позицию.

В диссертации разработан метод (называемый методом виртуальных программных точек) использования этой возможности для упрощения задания сложных траекторий и формирования траекторий обхода препятствий за минимальное время.

Промежуточные точки задают направление движения. Сами точки могут не достигаться. Траектория движения формируется заданием соответствующих значений параметров высвобождения в командах движения в промежуточные точки. Полезной особенностью метода является то, что в большинстве случаев координаты промежуточных точек являются комбинацией начальной и конечной точек траектории транспортного перемещения, т.е. могут быть вычислены без позиционного обучения.

Многочисленные эксперименты показали, что траектории, которые получаются использованием переходных режимов движения, с высокой точностью воспроизводятся системой управления. Это позволяет планировать движение манипулятора по таким траекториям с высокой степенью надежности.

Задача построения оптимальной траектории вертикальной сборки решается методом параметрической оптимизации П-образной траектории с учетом рельефа поверхности рабочей среды. Опорная траектория состоит из трех участков: подъема схвата вертикально вверх (первая программная точка), горизонтального переноса в точку, расположенную над целевой точкой (вторая программная точка) и вертикального опускания в целевую точку движения. Таким образом, опорная траектория реализуется всего двумя промежуточными точками, координаты которых могут быть вычислены (т.е. без позиционного обучения) из координат начальной и целевой точек.

Для получения оптимальной траектории параметры высвобождения в промежуточных точках подбираются такими, чтобы обеспечить огибание

препятствий на безопасном расстоянии за минимальное время. Правильно настроенная траектория состоит в плавном (при том, что она реализуется позиционной следящей системой!) переносе схвата из начальной точки в целевую, причем в некоторые моменты могут достигаться максимальные скорости движения. Настройку параметров можно выполнять для каждой точки независимо. Этим задача настройки траектории существенно упрощается.

Отличие разработанного метода от метода численной оптимизации состоит в том, что при настройке алгоритма автоматически учитываются все особенности динамика объекта управления. Этим подход похож на метод пристрелки в теории управления стрельбой, который также основан на стабильности воспроизведения динамики полета снаряда и в котором траектория полета снаряда не вычисляется, а формируется автоматически в процессе пристрелки.

В работе доказана оптимальность предлагаемого алгоритма для движений, совершаемых в вертикальной плоскости.

Пусть точки я 1^2 принадлежат отрезку АВ. Обозначим через ТаЬ0,я1^2,У) длительность перемещения степени подвижности I между точками ql и q2 при исполнении команды движения из точки А с начальной скоростью V в точку В.

Через Тд(^1,я2,У) обозначим длительность перемещения степени подвижности I между точками и с(1 при ее движении из точки ql с начальной скоростью V в точку В и промежуточными точками, координаты которых принадлежат отрезку В.

Предположим, что для любого начального значения скорости V выполняется неравенство ТаЬ(^1,ч2,У) < Тд(1,я1^2,У). Это неравенство называется дальше условием оптимальности следящей системы.

Рассматриваются плоские траектории, которые получаются при перемещениях вертикальной степени подвижности и степени подвижности с номером 1 из начальной точки А в конечную точку В с промежуточными точками, лежащими внутри отрезка АВ. Такие траектории назовем допустимыми.

Доказано следующее свойство: при сформулированном условии оптимальности следящей системы время движения по любой допустимой траектории будет больше, чем по траектории, которая получается с помощью алгоритма оптимизации.

Условие о плоском движении является существенным только, если в горизонтальной плоскости имеется выделенное направление, движение по которому является более предпочтительным, чем по остальным направлениям. В большинстве случаев такого направления нет (в сборочном процессе редуктора нет ни одного). Кроме того, построение оптимальной траектории в горизонтальной плоскости возможно с помощью метода виртуальных программных точек, так как алгоритм оптимизации позволяет разделить опти-

мизацию вертикального и горизонтального движений. Такое разделение используется во всех сборочных операциях редуктора.

Условие принадлежности промежуточных точек отрезку перемещения означает, что запрещено управление с перерегулированием. Использование перерегулирования действительно позволяет уменьшить время движения, однако, как показывают оценки, возможный выигрыш оказывается пренебрежимо малым.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3. Форма траектории движения схвата определяется не только составом промежуточных точек, но и в не меньшей степени величинами параметров высвобождения в них.

Предложен метод формирования транспортных перемещений с помощью параметра высвобождения. Задача построения управления с помощью метода виртуальных программных точек является корректной ввиду того, что следящая система обеспечивает высокую повторяемость воспроизведения движения манипулятора около начальной, промежуточных, целевой точек движения.

Найден способ оптимизации по времени траекторий транспортных перемещений манипуляторов с ортогональной или цилиндрической кинематической схемой и позиционной системой управления без численного решения задачи оптимизации. Доказана оптимальность получаемых при этом траекторий вертикальной сборки.

В ГЛАВЕ 4 рассматриваются способы управления перемещениями манипуляторов по сложной траектории в пространстве.

Необходимость реализации таких движений возникает в некоторых технологических операциях. Например, сборка редуктора выполняется с двух сторон корпуса. В процессе сборки корпус необходимо перевернуть. Манипулятор переворачивает палету с корпусом, удерживая ее за ручку. Схват при этом совершает движение в вертикальной плоскости по полуокружности.

Отличие специальных технологических движений от транспортных перемещений состоит в том, что при транспортных перемещениях на траекторию накладываются односторонние ограничения, исключающие задевание манипулятором за предметы на сборочном столе. В технологических движениях пространственные ограничения имеют двухсторонний характер, так как движение по контуру должно выполняться с заданной точностью.

Кроме того при массовой сборке имеется условие минимизации времени выполнения операции. Хотя учет этого условия сильно усложняет реализацию пространственных перемещений, оно не может игнорироваться ввиду того, что серийная сборка должна удовлетворять критерию экономической эффективности.

По этой причине сложную траекторию не выгодно задавать в виде последовательности точек рабочего пространства. При таком представлении скорость движения будет тем меньше, чем больше промежуточных точек, так как в каждой промежуточной точке происходит торможение и разгон. Эксперименты показали, что при поточечном задании траектории время движения оказывается слишком большим, а точность движения не достаточно высокой.

В диссертации рассматривается способ реализации траектории, основанный на управлении скоростями движения степеней подвижности. Возможность изменять темп движения степени подвижности обеспечивается в момент задания параметров (в том числе и скоростей) движения в целевую точку.

В позиционных следящих системах величина скорости движения степени подвижности изменяется по трапецевидному закону: разгон до программного значения скорости, движение с постоянной скоростью и торможение. На каждом из участков управление осуществляется с максимальной интенсивностью, поэтому значение скорости в заданной точке траектории и в заданное время воспроизводятся следящей системой достаточно стабильно. Длительные наблюдения за стабильностью воспроизведения траекторий как простых так и сложных движений, показали, что максимальные отклонения в положении степени подвижности от исходной траектории не превышают 10 мм. Эта оценка верна для всех типов манипуляторов, которые использовались в экспериментах (ПРАГМА А-3000, УНИВЕРСАЛ-5, РМ-01).

На участках разгона и торможения изменение координаты степени подвижности с достаточно высокой степенью точности (до 1 мм) подчиняется квадратичной зависимости х = где х - координата, I - время от начала (или от конца) движения, х0, - значения координаты и ускорения в начальный момент времени. Ускорение не зависит от длины отрезка перемещения степени подвижности. Оно является достаточно большим по величине (до 2 м/с2). На среднем участке траектории координата зависит от времени линейно.

Разнообразие режимов движения степеней подвижности позволяет получать достаточно сложные пространственные траектории путем подбора законов движения для степеней подвижности, задействованных в движении.

Для этого сначала формируют опорную траекторию, задавая промежуточные точки в местах изменения направления движения. При воспроизведении опорной траектории наибольшие отличия возникают в середине участков. Для каждого участка, начиная с первого, корректируют скорости и ускорения движения отдельных степеней подвижности с тем, чтобы добиться наилучшего совпадения фактической траектории движения с заданной. Оказалось, что величину ускорения можно уменьшить, если задавать в цикле движение в целевую позицию с плавным изменением величины программ-

ной скорости. Этот прием назван методом виртуальных программных скоростей. Кроме настройки скоростей и ускорений движения степеней подвижности удается улучшить качество воспроизведения траектории путем исключения или смещения некоторых промежуточных точек, используя инерционность движения степеней подвижности. В некоторых случаях (например, если в начале участка основное движение происходит в основном по одной степени подвижности) точки приходится добавлять.

Многочисленные эксперименты показали, что такое управление является корректным в силу высокой повторяемости как траектории так и скорости движения степени подвижности, что позволяет надежно планировать движение при построении управления.

Такой способ задания движения может применяться, если не требуется высокая точность реализации траектории, но важно минимизировать время выполнения операции. Позиционное управление при этом имеет преимущество перед траекторным, так как при траекторном управлении синхронизация движения отдельных степеней подвижности достигается при некотором запасе по скорости и, поэтому, реализуемые скорости оказываются существенно меньше максимальных.

В главе рассматривается пример использования метода виртуальных программных скоростей для задания движения схвата по полуокружности в операции переворачивания палеты с зажатым в ней корпусом.

Траектория задается с помощью всего трех точек: начальной точки, вершины полуокружности и конечной точки. Движение между ними формируется путем согласования скоростей движения степеней подвижности, задействованных в операции.

На роботе УНИВЕРСАЛ-5 были выполнены эксперименты по сравнению предлагаемого способа реализации движения с контурным управлением. Они показали, что при позиционном управлении отклонение траектории движения схвата от полуокружности не превышает 5 мм, длительность переворота - 5 сек. При траекторном управлении ошибка не превышает 1 мм, длительность переворота составляет 7 сек.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4. Существуют такие сборочные операции, в которых реализация траектории с помощью позиционного управления имеет преимущество перед траекторным.

Возможность назначать новые значения скоростей движения до достижения целевой точки позволяет сделать управляемым параметром величину ускорения степени подвижности, что необходимо для реализации плавного движения схвата по сложной пространственной траектории. Такое управление движением является корректным, так как точно воспроизводится системой управления манипулятора.

Предложенный способ управления движением манипулятора по сложной траектории может использоваться в тех случаях, когда пространствен-

ные ограничения и конструкция оснастки допускают небольшие отклонения от требуемой траектории и (или) требуется минимизировать время движения.

Дальнейшие исследования связаны с решением задач, возникающих при практическом применении разработанных методов: накоплении опыта адаптации к конкретным условиям применения; созданию методов и средств обучения манипулятора, которые обеспечивают снижение трудоемкости разработки управляющих алгоритмов, отладки, настройки и поднастройки рабочих программ сборочных движений; разработке рекомендаций, учет которых при проектировании позволяет существенно увеличить производительность сборочного процесса за счет более полного использования возможностей управления.

Успешная реализация сборки сложного изделия роботом ПРАГМА А-3000 позволила начать ЦНИТИ разработку аналогичного сборочного комплекса КСП-1 с роботами отечественного производства. В ГЛАВЕ 5 описываются конструкция и результаты исследований, выполненных на комплексе КСП-1.

Комплекс КСП-1 отличается от комплекса ПРАГМА А-3000 следующими характеристиками:

• манипуляторы (УНИВЕРСАЛ-5) располагаются друг напротив друга;

• манипулятор имеет цилиндрическую кинематическую схему, меньшую точность позиционирования (до 1 мм) и худшую динамику разгона и торможения;

• движение в горизонтальной плоскости выполняется с помощью трех степеней подвижности: линейной и двух вращательных;

• манипулятор УНИВЕРСАЛ-5 мощнее манипулятора ПРАГМА. Некоторые его степени подвижности развивают усилие до нескольких десятков килограммов силы.

• при допустимых нагрузках стрела манипулятора имеет небольшой прогиб (до 40 мм).

Проводившиеся на КСП-1 исследования позволили решить следующие задачи:

• получить опыт адаптации разработанных методов управления для манипулятора, конструкция которого отличается от манипуляторов ПРАГМА;

• развить имевшиеся решения с учетом особенностей конструкции манипулятора УНИВЕРСАЛ-5.

Для адаптивной сборки манипулятор УНИВЕРСАЛ-5 был оснащен си-лоизмерительным датчиком вертикальной составляющей сборочного усилия. Он имел высокую прочность, которая позволила исключить поломки в аварийных ситуациях. Чувствительность датчика составляла 1 Н. Реально наличие препятствия движению определялось при усилии 5 Н. Низкая чувстви-

тельность датчика не позволяла использовать алгоритмы, основывающиеся на минимизации поперечной составляющей сборочного усилия, которые обычно используются в адаптивной сборке. Однако такой точности оказалось достаточно для того, чтобы реализовать надежную сборку, используя методы управления, которые рассмотрены ранее.

В манипуляторе УНИВЕРСАЛ-5 гибкости стрелы использовалась для сглаживания. Отличием такого решения от адапторов, которые применяются обычно для этой цели, является большой рабочий ход (в несколько раз больше рабочего хода адапторов), который соизмерим с выбегом манипулятора при торможении до полной остановки при малых скоростях движения (около 100 мм/сек). Это позволило выполнять соединения со скоростями, которые на порядок больше, чем возможны в роботе ПРАГМА. В результате в комплексе КСП-1 за счет большей скорости сборочных движений удалось компенсировать меньшую скорость транспортных перемещений и получить ту же длительность цикла сборки, что и на комплексе ПРАГМА.

Гибкость стрелы позволила также обеспечить плавное дозирование сборочного усилия. Более того, было показано, при достаточно точной настройке можно реализовать сборку с микронными зазорами без контроля наличия препятствия движению. Деталь наживлялась при скольжении ее по фаскам посадочного гнезда за счет податливости стрелы и достаточной силы давления на деталь, которую создавала по вертикали мощная вторая степень подвижности. Раскрытие губок после наживления при "вставлении с высвобождением" обеспечивало успешную сборку и предохраняло манипулятор от перегрузок. Поломки исключались, так как глубина вставления равнялась 20 мм, что в два раза меньше допустимого прогиба стрелы. Многочисленные эксперименты показали, что такой алгоритм работает достаточно надежно. Количество сборок, в которых деталь не наживлялась, не превышало 1% от общего числа проведенных экспериментов. В 20 % случаев деталь не доходила до дна посадочного гнезда и вставала на место только в последующих операциях надевания и завинчивания крышки.

Своеобразие кинематической схемы манипулятора УНИВЕРСАЛ-5 состоит в том, что движение в горизонтальной плоскости осуществляется тремя степенями подвижности: двумя вращательными и одной поступательной. В случае, если ориентация вставляемой детали вокруг вертикальной оси может быть произвольной (например, при завинчивании гаек), возникает свобода в выборе положений степеней подвижности в месте сборки. Эта возможность использовалась для ускорения некоторых транспортных перемещений путем выбора такого положения манипулятора в месте установки детали, перемещение в которое выполняется с одинаковой длительностью по всем степеням подвижности. С помощью этого приема удалось сократить суммарные затраты времени на транспортировку гаек с 60 с до 20 с.

Такая оптимизация горизонтальных движений может оказаться полезной и для других типов роботов с ангулярной (типа SCARA) или антропоморфной (типа PUMA) кинематическими схемами, если центр детали не совпадает с осью шарнира последней степени подвижности. Выполненные оценки показывают, что даже незначительный вынос центра детали позволяет заметно уменьшить углы вращения шарниров в транспортных перемещениях. Это достигается за счет адитивного действия трех факторов:

• участия последнего шарнира в транспортном перемещении,

• большей скорости его вращения по сравнению с первым шарниром,

• увеличением радиуса поворота детали относительно оси первого шарнира,

каждый из которых вносит одинаковый вклад порядка d/R, где d - величина выноса и R - расстояние от оси вращения первого звена до центра до центра детали. Для манипулятора РМ-01 характерные значения R=500 мм, d=200 мм, поэтому за счет выноса детали углы поворота уменьшатся в (l+3d/R)=2 раза.

Следует заметить, что целесообразность выноса центра детали не может быть выявлена в результате решения задач оптимизации транспортных перемещений и расстановки оборудования. В этом смысле выигрыш от выноса может быть получен только, если он был предусмотрен на этапе планирования сборочного процесса, т.е. до разработки управления. ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ. Методика реализации сборочных движений, разработанная на комплексе ПРАГМА А-3000, адаптирована для промышленного манипулятора другой конструкции. Адаптивная сборка сложных соединений реализована с помощью силоизмерительного датчика с достаточно низкой разрешающей способностью.

Показно, что упругая податливость на конце манипулятора, величина которой соизмерима с величиной зоны торможения, позволяет существенно увеличить скорость выполнения сборочных соединений и упростить разработку их алгоритмов.

Найдена возможность уменьшения длительности транспортных перемещений для манипулятора с ангулярной кинематической схемой за счет использования несовпадения оси схвата с осью вращения последнего звена.

Эксперименты показали, что при использовании стандартных (штатных) средств разработки, которыми оснащаются роботы, построение алгоритмов сборочных операций, основывающихся на рассмотренных методах управления движениями, является достаточно трудоемкой задачей. Запись алгоритма сложного соединения может содержать до сотни команд, которые надо не только написать, но и подобрать в них параметры. В связи с этим важной задачей является определение состава и функций средств обу-

чения, которые позволяют синтезировать необходимое управление с приемлемой трудоемкостью.

В ГЛАВЕ 6 такие описываются результаты разработки таких средств для сборочного комплекса КСП-1.

Основу разработанных средств составляет язык макродвижений сборочного манипулятора и метод аналитически-позиционного обучения.

Возможность представлять сборочное движение в виде аналитической записи разветвленного алгоритма специализированных (технологических) под движений для промышленных манипуляторов реализована в диссертации впервые.

Простейшие элементы совмещения аналитического и позиционного обучения используются в промышленных манипуляторах для задания и коррекции программных точек. В диссертации метод используется для макродвижений, что позволило расширить контроль правильности задания параметров и снизить трудоемкость настройки сборочных движений.

Язык макродвижений содержит команды, состав которых упрощает задание разветвленного алгоритмов соединений и уменьшает количество возможных ошибок в задании движения. Помимо стандартных команд любого языка управления роботом в язык макродвижений включены команды:

• оптимальное перемещение по транспортной траектории,

• движение до упора,

• движение "поиск с откатом",

• совмещенное движение по оптимальной траектории и "поиск с откатом",

• движение по одной координате,

• перемещение по одной координате на заданную величину приращения.

Команды движение до упора и "поиск с откатом" возвращают бинарный результат, который может интерпретироваться как наличие или отсутствие препятствия движению. Результат выполнения команды используется для ветвления алгоритма соединения.

Ограничение движения по одной кооординате позволяет исключить ошибки при обучении или коррекции координат целевой точки. Подавляющее большинство движений при соединении деталей выполняется по одной (как правило вертикальной) координате.

Макродвижение по оптимальной траектории упрощает задание транспортного перемещения. Как указывалось координаты промежуточных точек в алгоритме оптимального перемещения получаются комбинацией координат начальной и конечной точек. По этой причине в макрокоманде оптимального перемещения достаточно задать координаты только точки, в которую следует переместиться (!). Пропуск промежуточных точек при этом исключен (их даже не надо предъявлять системе управления).

Совмещение движения двух составных движений ("поиск с откатом" и оптимального перемещения) связан с экономией затрат времени на переход от одного движения к другому ввиду того, что при завершении транспортного перемещения возникает замедление движения. При большом количестве деталей экономия становится заметной. Совмещение также упрощает обучение.

Макродвижение "поиск с откатом" включает коррекцию начальной позиции с учетом набранной статистики о положении отверстия. Это позволило расширить зону поиска, перейдя к поиску по двухвитковой спирали.

Большой диапазон зоны поиска сделал возможным реализацию автоматической подстройки комплекса после аварийных ситуаций. Процедура автоматизированной настройки состоит из двух этапов. Сперва вручную приближенно определяется сдвиг координат. Сдвиг вводится в систему управления. Точная подстройка выполняется автоматически за несколько рабочих циклов путем статистического определения точного положения отверстий, полученных при выполнении поисковых движений.

Система автоматической коррекции координат программных точек оказалась достаточно эффективным средством поднастройки сборочного процесса. Она сократила затраты времени на корректировку всех точек, определяемых путем позиционного обучения, до 15 минут, или в 30 раз по сравнению с ручной поднастройкой.

Использование макродвижений намного упрощает разработку алгоритмов сборочных движений по сравнению с использованием элементарных команд движения.

Наличие не более одной целевой точки в каждом макродвижении движении сделало возможным использование штатных процедур позиционного обучения целевой точки. Это обстоятельство вместе с ограниченностью набора команд позволяет надеяться на осуществимость реализации языка макродвижений для управления такими роботами, которые оснащены только простейшими аппаратными средствами обучения типа интеллектуального пульта ручного управления.

Наличие не более одной целевой точки в командах макродвижений позволило также объединить по времени процедуры записи алгоритмов движений и позиционного обучения: после ввода очередной команды автоматически подключается система позиционного обучения для указания целевой точки и задания или коррекции параметров макродвижения.

При первом обращении к макродвижению его параметрам присваиваются такие начальные значения, которые делают возможным выполнение движения без предварительной настройки. Записанный алгоритм может быть исполнен сразу после завершения обучения и основные усилия сосредоточиваются на его оптимизации.

Преимущество такого способа обучения робота по сравнению с существующими состоит в том, что выполняется аналитическая запись алгоритма движения в макродвижениях (т.е. осуществляется аналитическое программирование). В тоже время сохраняется эффективность позиционного обучения, которое позволяет на этапе синтеза управления вручную отрепетировать то движение, которое манипулятор должен исполнять автоматически. Технологически осмысленный (в терминах сборочных поддвижений) состав команд языка типовых действий позволяет исключить пропуск точек при позиционном обучении.

Величины коррекции координат целевой точки и всех параметров контролируются. Имеется также контроль за координатами точки начала исполнения типового действия, с тем, чтобы исключить движение из ошибочно заданной начальной точки при частичной отладке отдельных сборочных операций.

Эффективность разработанной методики была продемонстрирована при совершенствовании сборочного процесса на комплексе КСП-1. Затраты времени на перепрограммирование отдельных ветвей алгоритма были в 3 -10 раз меньше, чем в среде программирования робота ПРАГМА. Производительность сборочного процесса была выше, за счет оптимальности всех сборочных перемещений и оптимизации всех сборочных движений.

Методы обучения движениям сборочного робота прошли экспериментальную проверку в составе сборочного переналаживаемого комплекса КСП-1 в ЦНИТИ. По результатам межведомственных испытаний они в составе комплекса были рекомендованы для применения в отрасли.

Отличительной особенностью разработанных средств является их компактность. Стойка управления содержала две микроЭВМ типа Электро-ника-60 (с памятью 56 кбайт без дисководов) и могла управлять двумя манипуляторами одновременно. Кроме того, управляющая программа была организована таким образом, чтобы информация о сборочном процессе и рабочие ячейки требовали не более 4 кбайт ОЗУ. В этом случае система обучения могла быть зашита в ПЗУ, а данные для рабочей программы размещаться в энергонезависимом ОЗУ, которым была оснащена стойка управления АС-2621.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6. Продемонстрирована возможность существенного уменьшения трудоемкости разработки управления сборочными движениями путем развития метода аналитически-позиционного обучения для технологически осмысленных макродвижений. Разработан состав функций макродвижений и их параметров, которые позволяют исключить появление некоторых типичных ошибок в задании движений. Разработана методика автокоррекции целевых точек поисковых движений, позволившая на порядок уменьшить затраты времени на настройку и поднастройку комплекса.

Показано, что средства обучения сборочным движениям манипуляци-онной системы в терминах макродвижений могут быть реализованы на весьма скромных по современным меркам аппаратных возможностях системы управления.

В ГЛАВЕ 7 рассматривается экспериментальный робототехнический комплекс для сборки турбинки пылесоса.

Разработка комплекса преследовала следующие цели:

• исследование возможности существенного увеличения производительности роботизированной сборки с помощью использования нетрадиционной схемы транспортных перемещений;

• накопления опыта адаптации разработанных методов управления сборочными движениями для манипулятора РМ-01, который отличается от рассмотренных ранее тем, что имеет антропоморфную кинематическую схему и траекторную систему управления;

• распространение разработанных методов управления соединением деталей на сборку хрупкого изделия.

Турбинка пылесоса состоит из двух тонких дисков (толщиной до 0.75 мм), между которыми запрессованы 6 лопаток. Лопатки устанавливаются в каждом диске тремя выступами прямоугольной формы. После предварительной сборки выступы лопаток расплющиваются под прессом, в результате чего фиксируется форма турбинки.

Форма лопаток, точность расположения и качество отверстий в дисках выдерживаются достаточно хорошо для того, чтобы обеспечить ручную сборку без подгонки формы лопаток. Сложность сборки заключается в том, что все три выступа лопатки вставляются в отверстия одновременно, причем между поверхностью выступов и отверстиями в дисках не остается зазоров. Кроме того, верхний диск надевается сразу на 18 (6x3) выступов. Диски, которые поступают на сборку имеют небольшой прогиб (до 2 мм).

Для того, чтобы обеспечить высокую производительность сборочного процесса, сборка осуществляется нетрадиционным способом, названным в диссертации "сборка ладошей".

Базовая деталь размещается в руке манипулятора. Манипулятор обходит питатели и надевает вставляемые детали в посадочные гнезда базовой детали. Повышение производительности обеспечивается за счет сокращения числа транспортных перемещений: на одно сборочное движение приходится только одно транспортное перемещение. Кроме того отсутствуют задержки на сжатие и разжатие схвата. В результате, несмотря на то, что при сборке турбинки робот выполняет кроме сборочных также вспомогательные операции по подаче и ориентации деталей, производительность комплекса оказывается в два раза выше, чем может обеспечить опытный сборщик и в три раза выше нормы сборки вручную.

В отличие от рассмотренного ранее редуктора конструкция турбинки не допускает прямого контроля соединения деталей (ввиду их хрупкости). Правильность соединения контролировалась путем касания датчиков перемещения после выполнения операции. Датчики определяли два состояния: сдвиг подвижной части датчика больше порога срабатывания и сдвиг меньше порога срабатывания. Бинарной информации оказалось достаточно для реализации разветвленных алгоритмов соединения деталей и обеспечения надежного выполнения сборки.

Надежной сборке способствует также хорошее качество изготовления деталей. Это позволило считать подсборку бракованной при обнаружении ошибочной ситуации. В результате оказалось возможным уменьшить количество контрольных движений и дополнительно увеличить производительность комплекса. Эксперименты показали, что при использовании качественных деталей настроенный комплекс обеспечивает правильную сборку всех изделий. Оказалось также, что очувствление некоторых устройств позволяет снизить требования к точности настройки комплекса и трудоемкость настройки.

Плотная компоновка комплекса и необходимость точной настройки сборочной оснастки сделали необходимым создание специальных программных средств контроля ошибок в задании движения. При этом использовался методика контроля, реализованная в комплексе КСП-1. Возможности штатных средств обучения робота РМ-01 позволили реализовать контроль области начала движения, контроль величин коррекции координат программных точек, ввести элементы аналитически-позиционного способа обучения. Работы по созданию таких средств были выполнены вынуждено после того, как оказались безуспешными попытки настроить комплекс без этих средств.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 7. Способ реализации сборочных движений "сборка ладошей" позволяет существенно увеличить производительность роботизированной сборки.

Использование разветвленных адаптивных алгоритмов при взятии и ориентации деталей делает возможным упрощение конструкций питателей. В комплексе ни один из них не имеет приводов. Работу подающих и ориентирующих устройств полностью заменяют движения манипулятора.

Использование элементов обучения, разработанных ранее для комплекса КСП-1, позволило уменьшить до приемлемого уровня трудоемкость настройки сборочных движений при плотной расстановке оборудования.

В ГЛАВЕ 8 рассматривается реализация разработанных методов управления сборочными движениями в исследовательских работах по созданию автоматических технологических процессов на базе манипуляционных систем различного назначения.

Говоря об этих приложениях, следует отметить специфику применения технологических манипуляционных систем. В отличие от серийного производства рабочая среда таких систем плохо организована, т.е. положение объектов сборки известно с достаточно большой ошибкой (порядка миллиметров). Манипуляторы могут иметь сравнительно низкую точность позиционирования (порядка миллиметров). Поэтому средства адаптации (включая датчики, специализированную оснастку и алгоритмику) являются составной частью всех технологических систем.

В работе приведены решения, разработанные по заданию нескольких промышленных организаций, занимающихся исследованиями по использованию манипуляционных систем в космическом пространстве для внекора-бельной деятельности и автоматизации процессов укладки кирпича в строительстве. Каждая из этих задач имеет свою историю и специфическую область приложения, которые изложены параграфах 8-й главы. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 8. Показано, что движения "поиск с откатом" и "вставление с высвобождением" оказываются полезными при выполнении сборочных технологических операций. Они позволяют выполнять соединения деталей при больших ошибках начального положения осей деталей и позиционирования манипуляционной системы, используя только бинарную информации о наличии препятствия движению, т.е. без применения точных многокомпонентных силоизмерительных датчиков сборочного усилия.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. В.А.Карташев и др., Автоматическая многооперационная сборка с помощью промышленных роботов, В кн.: Роботизация сборочных процессов, М., Наука, 1985.

2. В.А.Карташев и др., Автоматическая многооперационная сборка с помощью промышленных роботов, Препринт ИПМ АН СССР N 81, Москва,1985.

3. В.А.Карташев и др., Реализация сборочных операций на роботе ПРАГМА А-3000, Препринт ИПМ АН СССР N 82, Москва, 1985.

4. В.А.Карташев, Методы программирования сборочных операций на роботе ПРАГМА А-3000, Препринт ИПМ АН СССР N1, Москва,1988.

5. В.А.Карташев, Д.Е.Охоцимский, Методы программирования сборочных операций. В кн.: Автоматизация проектирования и программирования роботов и ГПС, М., Наука, 1988.

6. В.А.Карташев и др., Математическое обеспечение робототехнического сборочного комплекса на базе манипуляторов УНИВЕРСАЛ-5. В кн.: Автоматизация проектирования и программирования роботов и ГПС, М., Наука, 1988.

7. В А.Карташев, Программное обеспечение робототехнического сборочного комплекса. В кн.: Программирование прикладных систем, М., Наука, 1992.

8. V.Kartashev, D.Okhotsimsky, Development of a Robotic Assembly Complex, Report on IEEE-35, Robotics and Automation, France, 1992.

9. В.А.Карташев и др., Разработка робототехнического сборочного комплекса. В сб. ТЕХНОЛОГИЯ, Сер. Гибкие производственные системы и робототехника, Вып. 1-2, М., ВНИИМИ, 1993.

10. В.А.Карташев, Оптимизация транспортных перемещений сборочного робота. В сб. ТЕХНОЛОГИЯ, Сер. Гибкие производственные системы и робототехника, Вып. 3-4, М., ВНИИМИ,1993.

11. V.Kartashev, Control of Complicated Assembly Movements for Position Manipulator, Report on Int. Conf. Adaptive Robots and GSLT, Russia, S-Petersburg, 1998.

12. В.А.Карташев, Управление движением схвата манипулятора по сложной траектории, Препринт ИПМ АН СССР N 24, Москва, 1999.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Исследованы ограничения, которые накладывают на управление сборочными движениями особенности работы системы управления манипулятора.

2. Найдены решения задач управления всеми фазами сборочного движения, которые учитывают особенности реализации движения штатными средствами управления манипулятора.

3. Показано, что контроль наличия препятствия в окрестности целевой точки движения позволяет обеспечить наблюдаемость хода соединения деталей по показаниям датчиков положения степеней подвижности, т.е. без измерения вектора сборочного усилия.

4. Для манипуляционных систем с ортогональной или цилиндрической кинематической схемой, следящая система которых допускает задание параметра высвобождения с верхнего уровня управления, предложены методы минимизации затрат времени на перемещения в рабочем пространстве.

5. Разработан метод реализации движения схвата манипулятора с позиционной системой управления по нелинейной траектории.

6. Трудоемкость разработки управления может быть существенно уменьшена при описании сборочных движений в терминах технологических макрокоманд. Развит метод аналитически-позиционного обучения манипуляционных систем специализированным макродвижениям. Эффективность такого подхода продемонстрирована в экспериментальной сборочной системе, успешно прошедшей межведомственные испытания.

7. Показано, что учет найденных возможностей сложного управления позволяет значительно увеличить производительность роботизированной сборки.

8. Выносимые на защиту методы управления прошли проверку в натурных экспериментах с использованием различных манипуляционных систем. В этих исследованиях получен опыт адаптации предлагаемых решений к конкретным условиям применения.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Карташев, Владимир Алексеевич

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Гл.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ

1. Ограничения, возникающие из особенностей конструкции сборочного комплекса •

2. Ограничения, связанные с особенностями конструкции собираемого изделия

3. Выполнение роботом сборки (описание сборочных движений) 48 Выводы 62 Гл.2.УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ МАНИПУЛЯТОРА ПРИ СОЕДИНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ

1. Адаптивное управление движениями манипулятора при соединении деталей

2. Построение очувствленных движений манипулятора с использованием информации от датчиков положения степеней подвижности

3. Построение контрольных движений манипулятора с использованием информации от датчиков перемещения

4. Метод сочленения "поиск с откатом"

5. Метод сочленения "вставление с высвобождением"

6. Структура сборочного движения 104 Выводы 111 Гл.З. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОЙ ТРАЕКТОРИИ ТРАНСПОРТНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

1. Оптимизации транспортных перемещений

2. Особенности задания траектории движения манипуляторов

3. Метод виртуальных программных точек

4. Минимизация времени транспортного перемещения

5. Синтез оптимальной траектории вертикальной сборки

6. Условия оптимальности траектории вертикальной сборки 133 Выводы 138 Гл.4. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ СХВАТА ПО СЛОЖНОЙ ТРАЕКТОРИИ

1. Метод виртуальных программных скоростей

2. Синтез управления движением схвата по полуокружности 145 Выводы 153 Гл.5. УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНСТРУКЦИИ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

1. Особенности конструкция робототехнического комплекса КСП

2. Особенности реализации контрольных движений для манипулятора УНИВЕРСАЛ

3. Синтез оптимальных траекторий перемещения манипулятора с ангулярной кинематической схемой

4. Эксперименты по роботизированной сборке 186 Выводы 190 Гл.6. ОБУЧЕНИЕ РОБОТА КАК ПРОЦЕСС СИНТЕЗА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ

1. Синтез управления движениями манипулятора

2. Анализ алгоритмов движений манипулятора при сборке

3. Автокоррекция программных точек

4. Язык макродвижений сборочного манипулятора

5. Метод аналитически-позиционного обучения

6. Экспериментальная проверка методов синтеза сборочных движений на комплексе КСП

Выводы

Гл.7. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕТРАДИЦИОННОЙ СХЕМЫ ТРАНСПОРТНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА РОБОТОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ РМ

1. Особенности управления движениями манипулятора РМ

2. Построение контрольных движений с использованием информации от датчиков положения степеней подвижности

3. Построение контрольных движений с использованием информации от контактных датчиков

4. Реализация элементов аналитически-позиционного обучения

5. Эксперименты по высокопроизводительной сборке турбинки пылесоса

Выводы 254 Гл.8. РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАНИЛУ ЛЯ ЦИОННЫХ

СИСТЕМАХ

1. Исследование задачи стыковки разъема бортовым манипулятором орбитальной станции МИР

Введение диссертация по механике, на тему "Управление сборочными движениями манипуляционных систем"

Роботизированная сборка представляет интерес для исследований по управлению манипуляционными системами в связи с тем, что соединение деталей осуществляется с помощью сложных и зачастую искусных движений. На время выполнения сборочных операций часто накладываются жесткие временные ограничения. Необходимость минимизации времени сборки сильно усложняет и без того трудную задачу построения управления движениями сборочной манипуляционной системы, однако это необходимо для того, чтобы обеспечить требуемый уровень экономической эффективности сборочного процесса.

Сборочные движения являются наиболее распространенными движениями, которые выполняются манипуляционными системами. Помимо сборки серийной продукции машиностроения они встречаются во вспомогательных операциях специализированных роботизированных систем при автоматической смене инструмента, а также в составе основных технологических операций, например, при роботизированной кладке кирпича или плитки в строительстве, обслуживании шахтного оборудования в угледобывающей промышленности, замене оборудования на космических спутниках и долговременных орбитальных станциях, которое периодически выполняется в процессе их эксплуатации [5,31,33,35,38,43,56].

Возможности современной техники позволяют реализовать роботизированную сборку весьма сложных изделий машиностроения. Однако до настоящего времени не удалось достичь достаточно высокого уровня экономической эффективности роботизированных производств. Это не позволяет считать имеющиеся решения оптимальными и служит основанием для поиска новых решений, которые обеспечили бы более глубокое использование функциональных возможностей робота.

Цель настоящей работы состоит в разработке новых методов решения задач управления сборочными движениями, которые обеспечивают необходимую эффективность функционирования сборочной манипуляционной системы при использовании штатных средств управления. Работа включает в себя:

• поиск новых режимов движения, которые могут быть реализованы штатными средствами управления;

• разработка и исследование технологических сборочных движений, которые основаны на использовании новых режимов движения;

• разработка эффективных методов решения задач управления и обучения робота сборочным движениям;

• исследование новых приемов управления и способов оптимизации сборочных движений на натурных макетах сборочных комплексов.

Работа выполнялась автором в рамках исследований по роботизированной сборке, проводившихся в Институте прикладной математики с 1981 года под руководством академика Д.Е.Охоцимского и проф. А.К.Платонова. Следует отметить также участие в работах Сергея Сергеевича Камынина, который внес большой вклад в развитие программного обеспечения адаптивной сборки.

Достаточно долго работа развивалась в рамках сотрудничества с Центральным научно-исследовательским технологическим институтом (ЦНИТИ). Это определило выбор задач и способы их решения.

Цель ЦНИТИ состояла в создании робототехнического сборочного переналаживаемого центра, который мог быть использован для автоматизации сборочных работ в отрасли. Создание такого комплекса ставило перед разработчиками сложные научно-технические задачи. В институте имелся большой опыт разработки и внедрения различных технологических процессов на предприятиях отрасли. Роботизированная сборка была новым направлением и опыта решений проблем в этой области у разработчиков не было. ЦНИТИ пытался следовать мировой практике применения роботов на сборочных операциях и опирался на результаты исследований группы Д.Е.Охоцимского- С.С.Камынина.

После анализа потребности предприятий отрасли, было решено сосредоточить свои усилия на создании робототехнической сборочной ячейки для автоматической многооперационной сборки серийных изделий машиностроения. Изделие (узел) собирается целиком на одной сборочной позиции. Сборочная ячейка может содержать один или несколько роботов.

Сборка выполняется автоматически. Участие оператора состоит в настройке ячейки, запуске сборочного процесса, его внешнем контроле и разрешении нештатных ситуаций.

Автор был разработчиком методических основ управления движением манипулятора, выполняющего сборочные операции, и в составе коллектива сотрудников ИПМ участвовал в развитии программных средств управления комплексом. Диссертационная работа является теоретическим обобщением результатов экспериментальных исследований по разработке управления различными фазами сборочного движения.

Поиск режимов движения с необходимыми свойствами осуществлялся экспериментально в связи с тем, что трудноформализуемые сложные ограничения, которые накладывает система управления на движения манипулятора, делали невозможным применение аналитических и численных методов. Обнаруженные в экспериментах закономерности движения манипулятора позволили объяснить достаточно высокую стабильность основных параметров найденных режимов движения. Алгоритмы движений отработаны в многочисленных разнообразных условиях применения.

Найденные режимы движения позволили получить новые решения задач управления для всех фаз сборочного движения. В работе доказывается оптимальность получаемых решений, теоретически исследуются необходимые условия успешного выполнения движений.

Большое место в работе уделено решению задач, возникающих при практическом применении разработанных методов. Необходимость этого связана с тем, что для практического применения наиболее удобными являются такие методы сборки, которые позволяют выполнить соединение всех деталей по единой технологии. По этой причине, а также в связи с тем, что исследования выполнялись в рамках работ по разработке новой техники, проводившимися различными организациями, для экспериментов использовались натурные макеты сборочных комплексов, предназначенных для многооперационной сборки целого узла, и управление всеми сборочными движениями совершенствовалось в такой степени, чтобы обеспечивалась высокая надежность сборки при наибольшей производительности.

Несмотря на очевидную сложность и трудоемкость, использовавшаяся методика исследований оказалась чрезвычайно полезной, так как позволила найти новые нетрадиционные методы решения уже известных задач и сформулировать некоторые новые задачи.

Новыми являются следующие результаты диссертационного исследования.