Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Разработка и исследование систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами

Диссертация: Разработка и исследование систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В настоящее время существуют различные системы управления манипуляторами с силовым очувствлением: копирующие манипуляторы и манипуляторы с управлением от задающих рукояток с отражением усилий, разного типа системы супервизорного и автоматического управления. Все они основаны на различных способах учета и организации силового взаимодействия с объектами внешней среды и имеют разное аппаратное… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ
    • 1. 1. Развитие систем позиционно-силового управления
    • 1. 2. Датчики и наблюдатели силы
    • 1. 3. Системы автоматизированного позиционно-силового управления
    • 1. 4. Системы автоматического позиционно-силового управления
    • 1. 5. Постановка задачи исследований
    • 1. 6. Выводы
  • ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ
    • 2. 1. Разработка функциональной схемы комбинированной системы позиционно-силового управления манипулятором
    • 2. 2. Синтез наблюдателей силы
    • 2. 3. Синтез алгоритмов автоматического и супервизорного позиционно-силового управления
    • 2. 4. Синтез алгоритмов позиционно-силового управления от задающих рукояток
    • 2. 5. Выводы
  • ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ
    • 3. 1. Разработка математической модели системы позиционно-силового управления манипулятора
    • 3. 2. Разработка компьютерной модели системы позиционно-силового управления манипулятора
    • 3. 3. Компьютерное исследование системы позиционно-силового управления манипулятора
    • 3. 4. Выводы
  • ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
    • 4. 1. Описание манипуляционной системы и разработка программы исследований
    • 4. 2. Результаты экспериментальных исследований алгоритмов автоматизированного позиционно-силового управления от задающих рукояток
    • 4. 3. Результаты экспериментальных исследований алгоритмов автоматического позиционно-силового управления
    • 4. 4. Выводы

Разработка и исследование систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В настоящее время подавляющее большинство роботов, используемых в промышленности, представляют собой манипуляторы. Для управления ими необходимо располагать двумя видами информации — о положении рабочего органа и о силе взаимодействия с объектами внешней среды, т. е. иметь средства очувствления — соответствующие сенсоры. Даже для выполнения простой операции взятия и переноса какого-либо предмета, особенно хрупкого, необходимо помимо координат схвата манипулятора контролировать усилие, чтобы с одной стороны не повредить, а с другой — не упустить этот предмет. Тем более необходима информация об усилиях для выполнения более сложных операций без использования специализированной оснастки.

Для определения силы взаимодействия манипулятора с внешней средой обычно используются силомоментные датчики. Однако существуют и косвенные способы ее оценки, реализуемые с помощью так называемых наблюдателей силы — вычислителей внешних возмущений по математической модели манипулятора и показаниям датчиков косвенных переменных. При невысоких требованиях к точности определения усилия такие устройства могут быть предпочтительнее силомоментных датчиков, так как они существенно дешевле и не требуют вмешательства в конструкцию манипулятора.

В настоящее время существуют различные системы управления манипуляторами с силовым очувствлением: копирующие манипуляторы и манипуляторы с управлением от задающих рукояток с отражением усилий, разного типа системы супервизорного и автоматического управления. Все они основаны на различных способах учета и организации силового взаимодействия с объектами внешней среды и имеют разное аппаратное и программное обеспечение. Однако проблема силового очувствления и управления, по-прежнему, продолжает оставаться одной из актуальных в робототехнике.

Несмотря на серьезные достижения робототехники последних лет, реально используемые роботы (промышленные, экстремальные, космические) все еще очень далеки от устройств с искусственным интеллектом. Еще долго будут существовать операции, которые не удается автоматизировать или выполнять более качественно, чем это делается под управлением человека-оператора. Так, например, в ряде сборочных процессов, которые выполняются автоматически, имеются отдельные операции, реализуемые пока только в режиме управления непосредственно от человека-оператора. При управлении космическими манипуляторами также особо ответственные операции выполняются в таком автоматизированном режиме. То же относиться к выполнению различных опасных операций в других экстремальных условиях.

Поэтому наиболее общим подходом к выполнению операций, требующих силового очувствления, могло бы стать комбинированное автоматическое и автоматизированное (супервизорное и с помощью задающих рукояток) позиционно-силовое управление. Такая система помимо возможности использования управления от человека там, где пасует автоматика, позволит непрерывно наращивать возможности последней за счет отработки соответствующих алгоритмов при управлении от человека и обучению им системы автоматического управления.

Целью работы является повышение качества выполнения манипуляторами технологических операций, требующих позиционно-силового управления, и расширение номенклатуры таких операций, в том числе путем создания комбинированных систем позиционно-силового управления с использованием датчиков и наблюдателей силы. Для решения поставленной цели решаются следующие задачи:

— анализ способов автоматического и автоматизированного позиционно-силового управления манипуляторами и выявление тенденций их развития;

— разработка и исследование наблюдателей силы и возможностей их использования, в том числе совместно с датчиками силы (момента) с целью расширения диапазона измерения, минимизации аппаратных затрат и повышения надежности;

— разработка методики синтеза комбинированных систем позиционно-силового управления;

— экспериментальное исследование системы комбинированного позиционно-силового управления для нового поколения манипуляторов с таким управлением.

На основе проведенного диссертационного исследования и с учетом его результатов на защиту выносятся:

— принципы и структурные схемы позиционно-силового управления манипуляторами, сочетающие датчики и наблюдатели силы, существенно расширяющие диапазоны силового очувствления;

— алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для комбинированных систем позиционно-силового управления, объединяющие возможности автоматического и автоматизированного позиционно-силового управления;

— математические модели и основанная на них методика синтеза таких систем, апробированная на конкретных их проектах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования и два приложения. Диссертация содержит 126 страниц текста, включая приложения, из них 111 страниц основного текста, 70 рисунков и 9 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Предложены алгоритмы и разработано соответствующее программное обеспечение для комбинированных систем позиционно-силового управления, сочетающих возможности автоматического и автоматизированного управления.

2. Разработана методика синтеза таких систем управления, апробированная при создании конкретных манипуляционных систем, отработана методика их настройки.

3. Предложены принципы и структурные схемы комплексирования силомоментных сенсорных систем и соответствующих наблюдателей, позволяющие существенно расширить диапазоны силового очувствления. Разработаны типовые структуры такого комбинированного силового очувствления.

4. Разработаны математические модели систем позиционно-силового управления манипуляторами и их программная реализация, предназначенная для исследования и синтеза такого типа систем управления различного назначения, а также для учебных целей.

Научная новизна диссертационной работы.

Для системного решения задач создания систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами автором:

1. Разработана структура перспективной системы комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами, существенно расширяющая их возможности.

2. Предложены алгоритмы такого управления, даны рекомендации по их применению и методика синтеза.

3. Проведен сравнительный анализ и предложена общая классификация схем наблюдателей силы с рекомендациями по их применению, в том числе в комбинации с датчиками силы (момента).

4. Предложена методика проектирования и настройки комбинированных позиционно-силовых систем управления манипуляторами, а также соответствующее программное обеспечение.

Методы исследования и достоверность результатов диссертационной работы.

При исследовании и синтезе алгоритмов позиционно-силового управления и наблюдателей силы используются методы теории автоматического управления, математического и физического моделирования. Предложенные решения отработаны с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований конкретных манипуляционных систем.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

Предлагаемая в диссертационной работе методика построения систем позиционно-силового управления позволяет повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов и модернизации известных манипуляционных систем.

Разработаны комплексная математическая и унифицированная компьютерная модель манипулятора DORES с учетом динамики механической системы и приводов, предназначенные для исследования и синтеза такого типа систем управления различного назначения, а также для учебных целей. Это позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на разработку таких систем.

Кроме этого, результаты исследования наблюдателей силы и рекомендации по их применению позволяют создавать силомоментные информационно-измерительные системы существенно более широкого диапазона при повышенной точности, надежности и минимизации аппаратных затрат.

Результаты диссертационной работы использованы в разработках ГНЦ ЦНИИ РТК при модернизации системы управления макета космического манипулятора DORES, создании медицинского робота Эквивалент, а также в ряде НИР, выполненных по заказам различных отраслей и ведомств РФ.

Апробация диссертационной работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались в 2005 — 2008 годах на: первой Российской мультиконференции по проблемам управления, Всероссийской научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», Международном научно-техническом конгрессе «Мехатроника и робототехника», конференции «Искусственный интеллект» (Интеллектуальные и многопроцессорные системы), Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», XXXII — XXXV неделях науки СПбГПУ. По результатам работы в 2008 г. получен фант от правительства Санкт-Петербурга.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, включенных в перечень научно-технических изданий ВАК России. Материалы диссертации использованы при подготовке учебного пособия «Роботы с силовым очувствлением». Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в отчетах по научно-исследовательским работам ГНЦ ЦНИИ РТК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. , B.C. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы Текст./
  2. B.C. Кулешов, Н. А. Лакота, В.В. Андрюнин-М.: Машиностроение, 1986. -328 с.
  3. , Е.И. Основы робототехники Текст./ Е. И. Юревич. 2-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 416 с.
  4. , Д.М. Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях Текст. / Д. М. Гориневский, Формальский A.M., Шнейдер А. Ю., под ред. B.C. Гурфинкеля, Е. А. Девянина. Москва: Физматлит, 1994. — 366 с.
  5. , С.А. Системы си ломом ентного очувствления роботов Текст. /
  6. C.А. Воротников, Г. В. Письменный, В. И. Солнцев. -М.: Машиностроение, 1990−96 с. 5. http://www.fanuc.com6. http://www.kuka.com7. http://www.abb.com
  7. V. Lippiello, В. Siciliano, L. Villani. Robot interaction control using force and vision // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, PRC. 2006. — P. 1470−1475.
  8. A. De Luca, A. Albu-Sch.affer, S. Haddadin, and G. Hirzinger. Collision detection and safe reaction with the DLR-III Lightweight Manipulator Arm // IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 2006. — P. 1623−1630.
  9. Graham J.D., Ravindran R., Knapp K. Space manipulators present capability and future potential // AIAA/NASA Conf. Adv. Technol. Future Space Syst. Hampton. -1979.-Vol l.-P. 243−253.
  10. , Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными роботами Текст. / Ф. М. Кулаков. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1980. —448 с.
  11. Sheridan Т., Ferell W. Human Control of Remote Computer-Manipulators // Proc. Inst. Intern. Congress on Art. Int. 1969. — P. 483−494
  12. Sheridan T.B. Toward a general model of supervisory control // Monitoring behavior and supervisory control. New York. — 1976. Plenum.
  13. , В.П. Супервизорное управление космическими манипуляторами Текст. / В. П. Макарычев, Е. И. Юревич С-Пб: Астерион, 2005.- 108 с.
  14. , Д.М. Силомоментные датчики для робототехнических систем. Датчики, размещаемые на манипуляторе Текст. / Д. М. Гориневский, А. Ю. Шнейдер, А. В. Ленский, С. Б. Можжевелов М.: 1984 — 73 с.
  15. Hacksel P.J., Salcudean S.E. Estimation of environment forces and rigid-body velocities using observers // IEEE international conference on robotics & automation. San Diego, California, 1994. — P. 931−936.
  16. Eom K.S., Suh I.H., Chung W.K., Oh S.-R. Disturbance observer based force control of robot manipulator without force sensor // IEEE international conference on robotics & automation. Leuven, Belgium, 1998. — P. 3012−3017.
  17. Alcocer A., Robertsson A., Valera A., Johansson R. Force estimation and control in robot manipulators // 7th Symposium on robot control (SYROCO'03). Wroclaw, Poland, 2003.-P. 31 -36.
  18. Andrew C.S., Keyvan H.-Z. Application of neural networks in inverse dynamics based contact force estimation // IEEE international conference on robotics & automation. 2002.
  19. G’amez Garc’ia J., Robertsson A., G’omez Ortega J., Johansson R. Automatic calibration procedure for a robotic manipulator force observer // IEEE international conference on robotics & automation. Barcelona, Spain, 2005, — P. 2703 — 2708.
  20. Raibert M.H., Craig J.J. Hybrid position/force control of manipulators // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1981. — P. 126−133.
  21. Zhang H., Paul R.P. Hybrid control of robot manipulators // IEEE transactions on robotics & automation. 1985. — P. 602−607.
  22. Fisher W.D., Mujtaba M.S. Hybrid position/force control: a correct formulation // International journal of robotics research. 1992. — 11(4): P. 299−311.
  23. Kliatib O. Towards integrated robot planning and control // In proceedings of the 4th IF AC symposium on robot control. 1994. — P. 351−359.
  24. Lanzon A., Richards R.J. Trajectory/force control for robotic manipulators using sliding-mode and adaptive control // Proceedings of the American control conference. San Diego, California, 1999. — Vol. 3. — P. 1940−1944.
  25. Kroeg Т., Finkemeyer В., Heuck M., Wahl F.M. Adaptive implicit hybrid force/pose control of industrial manipulators: Compliant motion experiments // International conference on intelligent robots and systems (IROS). Sendai, Japan, 2004.-P. 4063−4068.
  26. Di Xiao, Bijoy Ghosh. Sensor-based hybrid position/force control of a robot manipulator in an uncalibrated environment // IEEE transactions on control systems technology. 2000. — Vol. 8(4). — P. 635−645.
  27. Arimoto S. Learning control theory for robot motion // Int. j. adapt, contr. signal process. 1990. — Vol. 4. — P. 543−564.
  28. , С.Ф. Обучение робота контактным операциям с учетом упругостей Текст. / С. Ф. Бурдаков, И. А. Смирнова // Материалы 13-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». — СПб., 2002.
  29. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part I theory // Journal of dynamic systems, measurement and control. — 1985. — P. 1−7.
  30. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part II — implementation // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1985. — P. 8−16.
  31. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part III — application // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1985. — P. 17−24.
  32. Mason M.T. Compliance and force control for computer controlled manipulators // IEEE transactions on systems, man and cybernetics. 1981. — P. 418−432.
  33. Lawrence D., Stoughton R.M. Position-based impedance control: Achieving stability in practice // Proc. AIAA conf. on guidance, navigation and control. 1987. -P. 221−226.
  34. Asada H. Teaching and learning of compliance using neural networks: Representation and generation of nonlinear compliance // In proc. IEEE conf. robot, automat. Cincinnati. — 1990. — P. 1237−1244.
  35. Chien-Chern Cheah, Danwei Wang. Learning impedance control for robotic manipulators // IEEE transactions on robotics & automation. 1994. — Vol. 14. №. 3. -P. 2150−2155.
  36. Cohen, Flash T. Learning impedance parameters for robot control using an associative search network // IEEE transactions on robotics & automation. 1991. — Vol. 7.-P. 382−390.
  37. Jung, Hsia T. On neural network application to robust impedance control of robot manipulators // In IEEE int. conf. robotics & automation. -Nagoya, Japan. — 1995. — P. 869−874.
  38. Katie D., Vukobratovic M. Learning impedance control of manipulation robots by feedforward connectionist structures // In IEEE conf. robotics & automation. 1994. -P. 45−50.
  39. An C.H., Hollerbach J.M. Dynamic stability issues in force control of manipulators // In IEEE transactions on robotics & automation. — 1987. P. 890−896.
  40. Eppinger S.D., Seering W.P. Understanding bandwidth limitations in robotic force control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1987. — P. 904−909.
  41. Volpe R., Khosla P. An experimental evaluation and comparison of explicit force control strategies for robotic manipulators // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. — P. 1387−1393.
  42. Volpe R., Khosla P. A theoretical and experimental investigation of impact control for manipulators // International journal of robotics research. 1993. -12(4). -P. 351−365.
  43. Hogan N. Stable execution of contact tasks using impedance control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1987. P. 1047−1053.
  44. Hogan N., Colgate E. Stability problems in contact tasks // The robotics review. -MIT Press, 1989.-Vol. 1 P. 339−348.
  45. Paljug E., Sugar Т., Kumar V., Yun X. Some important considerations in force control implementation // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. — P. 1270−1275.
  46. Qian H.P., De Schutter J. The role of damping and low pass filtering in the stability of discrete time implemented robot force control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. — P. 1368−1373.
  47. Pratt G., Williamson, M. Series elastic actuators // Proceedings of the IEEE international conference on intelligent robots and systems. 1992. — Vol. 1 — P. 399 406.
  48. , С.Л. Основы управления манипуляционными роботами Текст./ С. Л. Зенкевич, А. С. Ющенко. М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2004. — 408 с. 52. http://www.mscsoftware.com53. http://www.mathworks.com
  49. , А.В. Построение программных движений и управление роботом-манипулятором с учетом его кинематической избыточности и динамики Текст. / А. В. Тимофеев. Автоматика. — 1976. — № 1. — С. 71−81.
  50. Faiz N., Agrawal S.K. Trajectory Planning of Robots with Dynamics and Inequalities // Proceedings of the IEEE international conference on intelligent robots and systems. 2000. — P. 3977−3983.
  51. Jun Takamatsu, Hirohisa Tominaga, Koichi Ogawara, Hiroshi Kimura, Katsushi Ikeuchi. Extracting manipulation skills from observation // IEEE international conference on intelligent robots and systems. 2000. — Vol. 1 — P. 584 — 589.
  52. S. Nicosia and P. Tomei. Robot control by using only joint position measurements // IEEE Transactions on Automatic Control. 1990. — Vol. 35, No. 9. -P. 1058−1061.
  53. Denavit J., and Hartenberg R.S. A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices // ASME Journal of applied mechanics. 1955. — Vol. 75. — P. 215−221.
  54. , P. Робототехника Текст. / Р. Гонсалес, К. Фу, К. Ли. — М.: Мир, 1989.-624 с.
  55. , О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов Текст. / О. П. Михайлов. М: Машиностроение, 1990. -304 с.
  56. , М.Г. Общий курс электропривода Текст. / М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер М.: Энергоиздат, 1981. — 576 с.
  57. , Р. Автоматизированные электроприводы Текст./ Р. Шенфельд, Э. Хабигер, под ред. Ю. А. Борцова. Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 464 с.
  58. Дьяконов, В.П. Matlab 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы применения Текст. / В. П. Дьяконов. -Издательство «Солон-пресс», 2005. --800 с.
  59. Хоменко, А.Д. Delphi 7 Текст. / А. Д. Хоменко. СПб.: БХВ-Петербург, 2003.- 1216 с.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!