Состав и характеристики мобильных роботов
Учебное пособие по курсу «Управление роботами и робототехническими комплексами»
Покупка
Новинка
Тематика:
Кибернетика
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 75
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3866-2
Артикул: 644435.02.99
Рассмотрены состав и характеристики мобильных роботов, а также основы проектирования робототехнических комплексов и управленияими. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Управление роботами и робототехническими комплексами».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана К.Ю. Машков, В.И. Рубцов, И.В. Рубцов Состав и характеристики мобильных роботов Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу «Управление роботами и робототехническими комплексами» Москва 2014
УДК 681.5 (075.8) ББК 32.816 М38 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/175/book85.html Факультет «Специальное Машиностроение» Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника» Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научно-учебного комплекса «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Рецензен ты : д-р техн. наук, проф. В.Н. Наумов, д-р техн. наук В.В. Щербинин Машков К. Ю. М38 Состав и характеристики мобильных роботов: учеб. пособие по курсу «Управление роботами и робототехническими комплексами». / К. Ю. Машков, В. И. Рубцов, И. В. Рубцов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 75, [1] с.: ил. ISBN 978-5-7038-3866-2 Рассмотрены состав и характеристики мобильных роботов, а также основы проектирования робототехнических комплексов и управления ими. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Управление роботами и робототехническими комплексами». УДК 681.5 (075.8) ББК 32.816 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-3866-2 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время робототехника превратилась в развитую отрасль промышленности: тысячи роботов работают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной принадлежностью подводных исследовательских и спасательных аппаратов, при изучении космоса широко используются роботы с разным уровнем интеллекта. Большое внимание уделяется автоматизации тяжелых, вредных, утомительных и монотонных работ в различных отраслях промышленности с помощью роботов-манипу- ляторов. В учебном пособии рассмотрены состав и характеристики мобильных роботов, а также основы проектирования робототехнических комплексов специального назначения и управления ими. Глава 1 посвящена вопросам классификации роботов и методам управления ими, глава 2 — функциональным и структурным схемам роботов, функционирующих в различных средах, а глава 3 — основным методам тягового расчета и способам энергообеспечения основных типов робототехнических комплексов. В главе 4 изложены вопросы проектирования и управления навесным оборудованием робототехнических комплексов, приведены методики решения прямых и обратных задач кинематики и динамики, изложены основы построения нечетких регуляторов. В разделе «Литература» приведен список работ [1 — 16], посвященных рассматриваемым в пособии проблемам развития робототехники.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Роботы — автоматические системы, предназначенные для воспроизводства двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных автоматов они отличаются большей универсальностью и способностью адаптации к выполнению различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке [1]. Робототехнические комплексы (РТК) подразделяются на следующие типы: мобильные, манипуляционные и информационные Мобильные РТК состоят из передвижных роботов и обеспечивают автоматические перемещения полезной нагрузки рабочих объектов в пространстве. Манипуляционные РТК предназначены для имитации двигательных функций руки человека. Могут использоваться в качестве навесного оборудования для мобильных РТК. Информационные РТК — это комплексы измерительно-информационных систем и управляющих средств, автоматически производящих сбор, передачу и обработку информации. По области применения различают следующие виды роботов: промышленные, военные и специального назначения. Промышленные роботы — это универсальные, автономные и автоматические устройства с памятью и программным управлением, предназначенные для воспроизведения двигательных и некоторых умственных функций человека при выполнении основных и вспомогательных производственных операций. Роботы военного назначения служат как для применения непосредственно в военных операциях, так и для ведения разведки, участия в обеспечивающих операциях, выполняют задачи разминирования, слежения за границей и т. д. Роботы специального назначения функционируют в условиях, опасных для жизнедеятельности человека. К ним относятся плане
тоходы — роботы для исследования других планет, роботы для пожаротушения, роботы, функционирующие на атомных электростанциях, роботы для борьбы с террористами и т. д. По средам функционирования роботы делятся на наземные, подземные, подводные, надводные, воздушные и космические. В учебном пособии основное внимание уделено наземным роботам. Основной частью навесного оборудования роботов являются манипуляторы. Манипулятор — это устройство, имитирующее двигательные функции руки человека и предназначенное для проведения различных манипуляций с объектом. По уровню сложности робота и его устройства выделяют три поколения роботов: 1-е поколение — роботы, имеющие только память, а также обучающую и адаптивные системы; 2-е поколение — роботы с частично самоорганизующейся системой управления, обучения и адаптации; 3-е поколение — роботы с самоорганизующейся системой управления и органами чувств. В машиностроении в основном применяются роботы 1-го поколения и частично 2-го поколения. Роботы 2-го и 3-го поколений используются для научных исследований и для работы в условиях, недоступных и вредных для человека. В учебном пособии рассмотрены роботы 2-го и 3-го поколения. Ниже приведена классификация роботов в соответствии с ГОСТ 25685—83. По характеру выполнения технологических операций роботы делятся на три группы: 1) технологические (производственные) роботы, выполняющие основные технологические операции. Они непосредственно участвуют в техпроцессе в качестве оборудования (гибка, сварка, окраска, сборка и т. д.); 2) вспомогательные (подъемно-транспортные) роботы, осуществляющие функции переноса объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Они применяются для обслуживания основного технологического оборудования; 3) универсальные роботы, которые выполняют разнообразные технологические операции: основные и вспомогательные.
По степени специализации различают: специальные роботы, используемые только для выполнения одной технологической операции или обслуживания конкретного технологического оборудования; специализированные промышленные роботы, предназначенные для проведения технологических операций одного вида (сварки, окраски, сборки, гибки, штабелирования и т. д.); многоцелевые роботы, применяемые для выполнения различных основных и вспомогательных операций. Они относятся к числу универсальных. По типам производства роботы подразделяются на серийные и массовые. Эти роботы применяются: в заготовительных цехах (литейных, кузнечно-прессовых и т. д.); в основных цехах (механических, сборочных, термических, гальванических и др.); во вспомогательных цехах (инструментальных, ремонтных и др.) По технологическим операциям различаются роботы, которые осуществляют: основные операции (сборка, сварка, окраска, штабелирование и др.); вспомогательные операции при всех видах обработки; операции контроля; все виды работ на складах. Кроме того, роботы используются как внутрицеховой и межцеховой транспорт. Системы основных координатных перемещений манипуляторов следующие: прямоугольная — плоская и пространственная; полярная — плоская; цилиндрическая — пространственная; ангулярная — плоская. По грузоподъемности роботы подразделяются на следующие категории: сверхлегкие — до 1 кг; легкие — до 10 кг; средние — до 200 кг; тяжелые — до 1000 кг; сверхтяжелые — свыше 1000 кг.
По степени мобильности различают стационарные или подвижные роботы. По конструктивному исполнению роботы делятся на встроенные, напольные, подвесные. Существуют следующие типы силового привода робота: гидравлический, пневматический, электрический и комбинированный. Схемы расположения приводов: в едином блоке, на вспомогательных органах или комбинированная. По характеру обработки программы бортовых ЭВМ роботов: жестко программируемые, адаптивные и гибко программируемые. По быстродействию роботы подразделяются на следующие категории: малое быстродействие — до 0,5 м/с; среднее — линейные скорости от 0,5 до 1 м/с (примерно 80 % роботов); высокое — свыше 1 м/с (примерно 20 % роботов). По точности движения различают роботы, которые обладают: малой точностью — при линейной погрешности 1 мм и выше; средней точностью — от 0,1 до 1 мм (больше всего роботов); высокой точностью — менее 0,1 мм. К параметрам, определяющим технический уровень роботов, относятся: надежность; число одновременно работающих степеней подвижности; время программирования; удельная грузоподъемность; выходная мощность манипулятора (произведение грузоподъемности и скорости перемещения), отнесенная к мощности его приводов; относительные оценки габаритных параметров и т. п. Эти параметры служат критериями качества функционирования робота при проектировании и для сравнительной оценки роботов. По способу управления [2, 3] различают роботы: с программным управлением; с адаптивным управлением; с интеллектуальным управлением.
2. СОСТАВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ В этой главе рассмотрены функциональные и структурные схемы мобильных наземных РТК специального назначения, работающих в полуавтономном режиме. Такие комплексы должны включать в свой состав системы технического зрения, интеллектуальные системы управления и человеко-машинный интерфейс [1, 4]. Это позволяет улучшить тактико-технические характеристики (точность, быстродействие и др.) роботов, убрать людей из опасных для жизнедеятельности областей, избавить их от тяжелого монотонного труда. В общем случае система технического зрения может включать в себя датчики различных типов (радиолокационные, оптические, тактильные и др.) и устройства обработки информации. Интеллектуальная система управления содержит технические средства (спецвычислители, кибернетические функциональные модули) и программно-математическое обеспечение [5]. Человеко-машинный интерфейс может иметь в своем составе терминальные внешние устройства, устройства речевого ввода-вывода и подсистемы графического общения. Анализ алгоритма функционирования РТК позволяет сформировать функционально-структурную схему его системы управления (СУ РТК). Такая схема представлена на рис. 2.1. В состав СУ РТК входят следующие системы [6]: система управления движением (СУД); система управления оружием (СУО); система оценки обстановки и принятия решений (СПР). Системы СУД, СУО и СПР являются основными системами РТК. В соответствии с принципом иерархии они содержат три уровня управления [7].
Рис. 2.1. Функционально-структурная схема системы управления РТК: СУ — система управления; РТК — робототехнический комплекс; СПР — система принятия решений; СУД — система управления движением; СУО — система управления оружием
Верхний (стратегический) уровень. Основной системой этого уровня является СПР РТК. На этом уровне осуществляются анализ обстановки и планирование адекватного поведения РТК. Информационная основа для принятия решений обеспечивается схемой действия РТК и базами данных: внутренней (в режиме автономного управления) и внешней (в режиме дистанционного управления). Средний (тактический) уровень. Основными системами среднего уровня являются СПР СУД и СПР СУО. На этом уровне реализуются алгоритмы, выполняющие анализ в видимой зоне действия, в основном осуществляется работа с информацией, поступающей от системы технического зрения и локации, совместно с верхним уровнем планируется управление исполнительным уровнем. Нижний (исполнительный) уровень. На этом уровне планы верхнего и среднего уровней переводятся в последовательность команд управления для исполнительных органов СУД и СУО. Организация взаимодействия уровней управления предусматривает элементы переменной иерархии, что позволяет принимать решение на том уровне, который в данный момент обладает наиболее достоверной информацией, без передачи управления на более высокий уровень [7]. Приведем примеры функционально-структурных схем различных РТК. Системы дистанционного управления движением с человекомоператором в контуре управления можно подразделить на два класса. Это дистанционные СУД с человеком-оператором, наблюдающим рабочую зону своими глазами, и дистанционные СУД с человеком-оператором, наблюдающим рабочую зону по телевизионному изображению. Обобщенная структурная схема таких СУД приведена на рис. 2.2. Пульт дистанционного управления может быть соединен с объектом управления кабелем или радиоканалом. Пульт дистанционного управления может быть размещен на танке сопровождения. Эта система дистанционного управления движением работает следующим образом. Оператор наблюдает ситуацию в рабочей зоне и формирует команды с помощью пульта оператора (рукоятки, кнопки и тумблера). Он может дистанционно с пульта управлять движением (газ, тормоз, переключение передач, повороты) и специальным