Разработка метода определения нагруженности и положения рабочего органа манипулятора тяжелого мобильного робота

За последнее десятилетие в России и за рубежом имели место крупномасштабные техногенные аварии и катастрофы.

Одним из важнейших направлений проектирования перспективной техники для МЧС, является создание тяжелых мобильных роботов с телеуправлением, предназначенных для выполнения широкого спектра аварийно-спасательных работ. Наиболее широко такие машины представлены в России.

Каждый создаваемый мобильный робот, так же как и любой грузоподъемный манипулятор традиционного назначения, должен соответствовать требованиям промышленной безопасности при эксплуатации. Специальных требований по обеспечению безопасной эксплуатации для тяжелых мобильных робототехнических комплексов в настоящее время не существует, так же как нет и нормативных материалов по проектированию и изготовлению тяжелых мобильных роботов. Технология аварийно-спасательных работ с использованием мобильных роботов еще не разработана. В настоящее время идет первоначальный поиск основных технических решений в области создания тяжелых мобильных роботов. И в процессе этого поиска используются методы и технические решения, отработанные в других областях техники и, в первую очередь, в подъемно-транспортном машиностроении и в робототехнике. Для грузоподъемных кранов-манипуляторов общего назначения, важными являются проблемы определения расчетных нагрузок, проблемы обеспечения прочности и жесткости несущих металлоконструкций. Мобильный робот оснащен системой телеуправления, при работе которой оператор получает информацию о взаимодействии робота с объектом манипулирования не обычным путем (визуально из кабины машины), а с использованием специальных средств, таких как, телекамеры, мониторы, различные датчики.

В таких условиях становятся особенно важными проблемы контроля величины рабочих нагрузок, положения рабочего органа, устойчивости машины и другие.

Для снижения затрат на разработку такой новой техники, как тяжелые мобильные роботы, и выбора наиболее эффективных технических решений необходимо на стадии разработки анализировать множество вариантов возможных решений. Эффективно позволяют делать это современные методы расчета и проектирования, базирующиеся на новых информационных технологиях, такие как метод конечных элементов. Однако, достоверность и рациональность их использования при решении различных задач, возникающих при проектировании принципиально новых конструкций, требуют надлежащего обоснования и проверки.

Актуальность работы. В настоящее время в ряде стран проводятся работы по созданию (опытных образцов) подвижных подъемно-транспортных машин, предназначенных для работы в условиях опасных для человека, и оснащенных для обеспечения безопасности обслуживающего персонала дистанционным управлением (телеуправлением). Повышенный интерес к таким машинам объясняется тем, что государства с развитой экономикой могут выделять больше средств на ликвидацию последствий природных и техногенных катастроф и аварий, а также принимают на себя все больше обязательств по предоставлению помощи населению в чрезвычайных ситуациях. Внимание к созданию такой техники инициируется также наметившимися тенденциями к увеличению количества техногенных аварий и катастроф и к накоплению в окружающей среде опасных для здоровья и жизни человека объектов, появившихся в результате военной или мирной деятельности людей. Такие подъемно-транспортные машины обычно относят к классу мобильных роботов в связи с тем, что они мобильны, оснащены системой дистанционного управления и исполнительным устройством в виде манипулятора с несколькими степенями подвижности.

В начальный период становления робототехники в 70-е и 80-е годы в основном разрабатывались мобильные роботы малой грузоподъемности. Машины эти оснащались системой видеонаблюдения с использованием телекамер, имели невысокую производительность, очень низкие скорости движения рабочего органа, небольшие размеры исполнительного устройства, что позволяло выполнять рабочие движения с требуемой точностью. Также была весьма ограниченной и область их применения. Положительный опыт применения малых мобильных роботов позволил перейти к разработке тяжелых мобильных роботов имеющих большие размеры исполнительного устройства и большую грузоподъемность. В настоящее время разрабатываются мобильные роботы грузоподъемностью 500 килограммов и более, с вылетом манипулятора порядка 10 метров. Предполагаемая область применения таких машин — это аварийно-спасательные работы, другие работы по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, например такие, как работы по обезвреживанию взрывоопасных предметов найденных в местах военных действий прошлых лет. Особенности технологии проведения работ таковы, что одной лишь системы визуального контроля уже недостаточно для эффективного управления манипулятором в дистанционном режиме. Необходимо предоставлять оператору дополнительную информацию о параметрах рабочего процесса. При выполнении работ требующих высокой точности, в условиях плохой видимости, желательно иметь возможность получать инструментальную информацию о положении рабочего органа манипулятора мобильного робота. Необходима также информация о фактической нагрузке на рабочий орган при функционировании робота. Эта информация может быть получена путем анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкции манипулятора. Анализ НДС металлоконструкции манипулятора позволяет также создавать более эффективные конструкции.

Цель работы: разработка метода получения информации о нагрузках и положении рабочего органа манипулятора тяжелого мобильного робота, по результатам анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкции манипулятора.

Задачи работы:

1. Проведение анализа внешних нагрузок на рабочий орган тяжелого мобильного робота;

2. Выявление факторов, влияющих на точность позиционирования рабочего органа при телеуправлении;

3. Разработка методов определения положения рабочего органа, с учетом перемещений в зазорах подвижных соединений манипулятора;

4. Анализ погрешности позиционирования рабочего органа, вследствие упругих деформаций звеньев манипулятора;

5. Исследование возможности определения эксплуатационных нагрузок на рабочий орган с помощью тензодатчиков;

6. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния манипулятора;

7. Выбор конечных элементов для моделирования элементов металлоконструкции манипулятора тяжёлого промышленного робота;

8. Проведение анализа напряженно-деформированного состояния узлов металлоконструкции манипулятора, методом конечных элементов.

Научная новизна:

1. Введено понятие погрешности позиционирования для дистанционно управляемого манипулятора мобильного робота. Выполнена теоретическая оценка влияния различных факторов на погрешность позиционирования манипулятора при его функционировании.

2. Разработана теоретическая модель относительных пространственных перемещений звеньев в зазорах вращательных и поступательных кинематических пар под нагрузкой. Эта модель позволяет рассчитывать пространственную погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора, возникающую вследствие перемещений в зазорах.

3. Проведены теоретические исследования упругих деформаций звеньев манипулятора под нагрузкой. Показано, что расчеты аналитическими и численными методами приводят примерно к одинаковым результатам. Оценено влияние упругих деформаций звеньев на погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора.

4. Разработан метод определения нагрузок, действующих на рабочий орган манипулятора тяжелого мобильного робота, основный на анализе напряженного состояния металлоконструкции манипулятора.

5. Произведено улучшение характеристик манипуляторов тяжелых мобильных роботов, разработанных в МГТУ им. Н. Э. Баумана, на основе теоретических и экспериментальных разработок и полученных результатов.

Практическое значение результатов работы:

1. Разработана программа грузовых статических испытаний манипулятора мобильного робота, учитывающая особенности его нагружения при работе в составе тяжелого мобильного робота. По разработанной программе проведены испытания манипулятора тяжелого мобильного робота РТС-С, созданного в МГТУ им Н. Э. Баумана.

2. Разработан метод (и алгоритм) расчета погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора мобильного робота по показаниям датчиков положения звеньев манипулятора и показаниям тензодатчиков, установленных на металлоконструкции манипулятора. Разработана методика определения функции положения для точек манипулятора, с учетом перемещений в зазорах кинематических пар, позволяющая создавать соответствующие компьютерные модели манипулятора.

3. Разработана методика определения погрешности позиционирования рабочего органа манипулятора, возникающей из-за упругих деформаций звеньев манипулятора.

4. Разработан метод определения нагрузок на рабочий орган манипулятора, при его функционировании, по показаниям тензодатчиков, установленных на металлоконструкции манипулятора.

5. В результате анализа НДС узла соединения гидроцилиндров со стрелой манипулятора предложена новая, более рациональная конструкция узла.

Достоверность выполненной работы подтверждается:

— применением известных теоретических методов;

— выполнением контрольных расчетов;

— экспериментальными исследованиями напряженно-деформированного состояния манипулятора тяжелого мобильного робота и сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными.

Апробация: по результатам данной работы делались регулярные доклады на кафедре «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им Н.Э.- опубликованы тезисы доклада «Анализ нагружения манипулятора тяжелого мобильного робота» на 10-й Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых 12−13 апреля 2006 г., г. Москва. А также тезисы доклада «Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции тяжелого мобильного робота» на 11-й Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых 10−11 апреля 2007 г., г. Москва.

Реализация работы: Материалы диссертационной работы используются при разработке тяжелых мобильных роботов в Специальном конструкторско-технологическом бюро прикладной робототехники МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также в учебном процессе кафедры «Подъемно-транспортные системы» МГТУ им Н. Э. Баумана.

Публикации: по материалам диссертации опубликованы две работы.

Объем работы: диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 146 страницы печатного текста, 10 таблиц, 58 рисунков и приложения, список литературы содержит.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ И ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе решена актуальная задача улучшения эксплуатационных характеристик нового типа подъемно-транспортных машин — тяжелых мобильных роботов, а именно: повышения уровня безопасности и точности выполнения работ путем улучшения контроля за нагрузками и за положением рабочего органа манипулятора.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. В работе проведен анализ особенностей эксплуатации манипулятора тяжелого мобильного робота в сравнении с кранами-манипуляторами. Установлено, что таковыми являются: дополнительные рабочие нагрузки, высокие требования к точности позиционирования рабочего органа, необходимость инструментального контроля нагрузок и положения рабочего органа.

2. Сформулировано понятие погрешности позиционирования для мобильного робота с телеуправлением. Проведен анализ влияния различных факторов на погрешность позиционирования.

3. Разработаны новая теоретическая модель пространственных перемещений звенев манипулятора в зазорах кинематических пар и, базирующийся на этой модели, метод определения положения рабочего органа манипулятора с учетом пространственных перемещений в зазорах кинематических пар.

4. Выполнен анализ влияния упругих деформаций звеньев манипулятора на погрешность позиционирования рабочего органа. Показано, что аналитические и численные методы расчета дают близкие результаты.

5. Разработан метод определения нагрузок на рабочий орган манипулятора по показаниям датчиков, установленных на стреле манипулятора, позволяющий контролировать нагрузки при функционировании мобильного робота.

6. С помощью метода конечных элементов проведен расчет НДС металлоконструкции манипулятора подтвердивший возможность эксплуатации мобильного робота при действии дополнительных рабочих нагрузок. Обоснован выбор базовых типов конечных элементов для моделирования манипулятора — стержневых и оболочечных.

7. Подтверждена экспериментально достоверность расчетов напряженно-деформированного состояния металлоконструкции манипулятора, выполненных с использованием метода конечных элементов.