авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Методы разработки, моделирования и управления штукатурным роботом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Цветкова Ольга Леонидовна

МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

ШТУКАТУРНЫМ РОБОТОМ

Специальность 05.02.05 — «Роботы, мехатроника и

робототехнические системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2008

Работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения на кафедре «Электротехника и техническая кибернетика»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Паршин Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Глебов Николай Алексеевич;

кандидат технических наук, доцент

Лукьянов Евгений Анатольевич

Ведущая организация: Ростовский государственный строительный университет

Защита состоится июня 2008 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.208.24 при Южном федеральном университете в зале заседаний Ученого совета Научно-исследовательского института многопроцессорных вычислительных систем имени академика А.В. Каляева Южного федерального университета по адресу 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2, корп. И, комн. 347.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.П. Кухаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Штукатурные работы отличаются сложной технологией и использованием в большом объеме ручных методов работы. Несмотря на развитие средств механизации, объем ручных операций на штукатурных работах остается значительным и достигает в отдельных случаях 60%. В настоящее время созданы установки для приема, приготовления, транспортировки и перекачки растворов, установки для нанесения штукатурных растворов на поверхность, а также штукатурно-затирочный инструмент. Это по­зволило получить значительный экономический эффект и снизить трудоемкость работ. Однако операции нане­сения грунта, накрывки и затирки требуют обязательно участия человека. Кроме того, выполнение штукатурных работ связано с повышенной влажностью, распылением раствора, вибрацией, что делает этот вид работ вредным для здоровья и мало привлекательным. В связи с этим во многих странах проводятся работы по механизации и автоматизации штукатурных операций, связанных с подготовкой растворов, нанесением штукатурных растворов на поверхность, их разравниванием и затиркой. Устранить ручной труд, значительно повысить про­изводительность и улучшить качество штукатурных ра­бот возможно на основе комплексной механизации и автоматизации операций. Одним из направлений решения этой задачи является использование манипуляционных роботов и построение на их основе автоматизированных штукатурных комплексов. Решение проблемы роботизации штукатурных работ делают тему диссертационной работы актуальной как в научном, так и в техническом плане.



С середины 80-х годов XX-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций. Среди них ведущую роль занимают ВНИИстройдормаш, МГСУ, ЮРГТУ (НПИ), РГСУ и др. Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций, в частности штукатурных, базируются на трудах ученых Макарова И.М., Фролова К.В., Попова Е.П., Юревича Е.И., Кулешова А.И., Ющенко А.С., Тимофеева А.В., Подураева Ю.В., Бурдакова С.Ф., Каляева И.А. и др., внесших значительный вклад в становление и развитие основ робототехники и мехатроники. Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я., Вильман Ю.А., Булгаков А.Г., Воробьев В.А., Глебов Н.А. Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники, уровень автоматизации и роботизации штукатурных работ остался достаточно низким. Это связано с необходимостью проведения комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, систематизации выполненных исследований. Успешная реализация проблемы создания штукатурных роботов связана с решением задач проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, построения их математических моделей, разработки методов и алгоритмов управления, обеспечивающих выполнение технологических операций.

Настоящая работа посвящена разработке методов анализа и синтеза структурных схем штукатурных манипуляторов, созданию методов и алгоритмов управления, учитывающих состояние рабочей поверхности.

Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам. Работа выполнена в соответствии с научным планом работ Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) в рамках научного направления «Создание и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами, системы автоматического управления, регулирования и контроля».

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является роботизация производства штукатурных работ, обеспечивающая повышение эффективности и безопасности их выполнения. Для этого необходимо решить следующие основные задачи:

– исследовать технологические особенности проведения штукатурных работ и разработать принципы построения строительных роботов для штукатурных работ;

– разработать методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров звеньев;

– разработать метод моделирования упругих свойств звеньев и построить математическую модель штукатурного робота, учитывающую взаимодействие инструмента с рабочей поверхностью;

– разработать метод планирования движений рабочего инструмента при выполнении штукатурных операций на поверхности, содержащей запретные зоны;

– разработать методы управления штукатурным роботом при нанесении штукатурного раствора и его разравнивании, обеспечивающие формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат и коррекцию усилий нажатия рабочего инструмента на поверхность.

Идея работы заключается в построении штукатурного робота с манипуляционной структурой, выбор которой проводится на основе сравнительного анализа, а геометрические параметры определяются в результате параметрического синтеза, с управлением, основанном на методах и алгоритмах, обеспечивающих заданное качество управления с учетом характеристик обрабатываемых поверхностей и технологических ограничений.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, практические результаты работы основываются на методологии системного подхода, основных законах классической механики, теории и методах робототехники, методах математического анализа, теории автоматического управления, методах компьютерного моделирования. Полученные результаты проверялись физическим и компьютерным моделированием.

Научные положения, защищаемые автором:

– методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных систем штукатурных роботов, обеспечивающие выбор кинематической структуры и оптимизацию геометрических параметров на основе выполнения критериев, определенных технологией проведения работ;

– метод моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота и математические модели, учитывающие деформации звеньев и взаимодействие рабочего инструмента с поверхностью;

– метод и алгоритмы планирования движений рабочего инструмента, обеспечивающие минимизацию числа нетехнологических переходов при выборе последовательности обхода запретных зон;

– методы структурно-параметрической коррекции усилий нажатия и многоуровневого управления в системе связанного пространства, обеспечивающие стабилизацию усилий нажатия инструмента на поверхность и формирование управляющих функций при слабосвязанных системах координат.

Научная новизна работы состоит в разработке:

– метода сравнительного анализа структурных схем, основанного на предложенных критериях эффективности, позволяющих оценить характеристики манипуляционных систем штукатурных роботов с позиции практического применения, и метода параметрического синтеза манипуляционных систем, отличающегося использованием критерия минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических траекторий движения;

– простого и эффективного метода моделирования упругих свойств звеньев штукатурного робота, основанного на использовании приращений обобщенных координат, возникающих в результате действия упругих деформаций звеньев;

– метода планирования движений рабочего инструмента при обходе запретных зон, отличительной особенностью которого является использование дерева обходов элементарных участков траектории с целью определения последовательности обхода зоны по критерию минимизации числа нетехнологических переходов;

– метода структурно-параметрической коррекции усилий нажатия инструмента, в основу которого положено двухуровневое регулирование усилий в зависимости от величины рассогласования действительных и заданных значений и применение критерия минимизации работы при коррекции усилий, метода многоуровневого управления в системе связанного пространства, отличительной особенностью которого является взаимосвязь систем координат робота и поверхности.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, методов классической теории управления, основ робототехники, корректностью допущений, принятых при разработке математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными (расхождение не превышает 6,7%).

Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации структуры, математические модели, методы анализа, синтеза и управления представляет собой методологические основы для разработки нового класса строительных роботов, отличающихся структурой, технологией взаимодействия с рабочей средой, требованиями к управлению, которые расширяют теорию строительной робототехники.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в ней структуры, модели, методы и алгоритмы позволяют разрабатывать штукатурные роботы, обеспечивающие необходимую точность, сокращающие трудоемкость работ и повышающие качество их выполнения. Практическая ценность работы состоит в следующем:

– разработанные методы сравнительного анализа и параметрического синтеза манипуляционных структур позволяют обоснованно подходить к выбору структурных решений и заданию геометрических параметров звеньев штукатурного робота;

– предложенные математические модели позволяют сократить время разработки и проектирования штукатурных роботов, анализировать их статические и динамические характеристики;

– разработанные методы и алгоритмы управления штукатурным роботом позволяют оптимизировать траекторию движения и достичь заданного качества управления с учетом технологических ограничений;

– предложенные рекомендации по технической и программной реализации комплекса позволяют обоснованно выбирать состав комплекса, структурную схему штукатурного робота, тип системы управления, способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;

– разработанный программный пакет позволяет решать задачи построения моделей штукатурных роботов, моделирования движений и процессов оштукатуривания поверхностей, а так же разработки алгоритмов планирования и коррекции траекторий движения робота.





Реализация работы. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ЗАО «Донмеханизация». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Информационные и управляющие системы» РГАСХМ для студентов специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), научно-практической конференции РГСУ «Строительство 2007» (Ростов-на-Дону, 2007 г.), международной научно-технической конференции МАУ-2007 (Дивноморское, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006 г.; Ярославль, 2007 г.), а также ежегодных научных конференциях РГАСХМ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печ. работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 151 страницу машинописного текста, содержит 65 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ технологии проведения штукатурных операций, в результате которого определены основные особенности их выполнения, и выявлены наиболее трудоемкие из них, такие как нанесение и разравнивание штукатурного слоя. Обзор средств автоматизации и роботизации штукатурных работ показал, что в настоящее время отсутствуют эффективные средства автоматизации, обеспечивающие нанесение и разравнивание штукатурного слоя. Особенностью штукатурных работ является разнородность используемых технологий для выполнения отдельных операций. Если для нанесения растворов применяется технология набрызга, то для разравнивания материала и окончательной обработки нанесенной штукатурки используют методы силового воздействия на обрабатываемую поверхность.

Исследования и разработки в области строительной робототехники показывают, что наиболее перспективным решением вопросов автоматизации процессов нанесения и разравнивания является совместное применение технологии оштукатуривания, основанной на методе набрызга с последующим разравниванием штукатурного раствора, средств робототехники и микропроцессорных управляющих устройств. Рассмотренные особенности позволяют сделать выводы о том, что выполнение штукатурных работ с использованием средств робототехники требует проведения комплексных исследований, разработки структурной организации штукатурных роботов, решения задач управления, учитывающих условия окружающей среды и качество поверхности.

Во второй главе разработана методика проектирования структурных схем штукатурных манипуляторов, в основу которой положены методы сравнительного анализа структурных схем и параметрического синтеза манипулятора. В соответствии с этой методикой были сформулированы основные этапы проектирования структурной схемы штукатурного манипулятора, включающие разработку альтернативных вариантов структурных схем, их сравнительный анализ по предложенным критериям, выбор наилучшей структуры манипулятора и проведение для нее параметрического синтеза.

Для проведения сравнительного анализа предложено использовать следующие критерии:

  • сложность и маневренность структуры;
  • удаленность от рабочей поверхности;
  • высота и ширина зоны обслуживания.

Сравнительный анализ структурных схем предлагается проводить в два этапа. На первом этапе из предложенного многообразия структур выбираются 2-3, обладающие минимальными значениями сложности структуры и удаленности от обрабатываемой поверхности, причем приоритетным является критерий удаленности. На втором этапе проводится сравнение выбранных структурных схем по маневренности , критериям высоты и ширины зоны обслуживания. С целью упрощения и обобщения метода проводимого анализа предлагается для определения указанных показателей исследовать возможность достижения роботом граничных точек, показанных на рис.1, а. Выбор точек обусловлен критерием минимальности их количества и учетом габаритных параметров обрабатываемых поверхностей, а также симметричности зоны обработки относительно плоскости перпендикулярной поверхности.

Для определения сложности структурной схемы штукатурного манипулятора предложено использовать соотношение:

, (1)

где — число степеней подвижности; — количество видов степеней подвижности; — число изменений направлений осей вращения (перемещения) степеней подвижности; — коэффициенты, характеризующие степень влияния составляющих на общую сложность структуры. Чем выше значение этого показателя, тем большими возможностями обладает манипуляционная система. Однако, при этом следует учитывать, что увеличение числа степеней подвижности ведет к усложнению математических моделей робота и алгоритмов управления им.

Важным показателем, характеризующим структурную схему штукатурного манипулятора, является удаленность от обрабатываемой поверхности. Критерий предлагается определять до граничной точки 1 на поверхности (рис.1, а). Для структурной схемы, приведенной на рис.1, б, определяется в соответствии с рис.2, а, из системы уравнений:

(2)

На втором этапе сравнительного анализа используются критерии, качественно характеризующие структурную схему штукатурного манипулятора: высота и ширина зоны обслуживания, при которых возможно выполнение штукатурных операций в соответствии с технологическими требованиями. Увеличение этих показателей ведет к сокращению числа перестановок робота. При оценке высота зоны обслуживания определяется на уровне граничной точки 3 (рис.2, а):

(3)

а ширина зоны обслуживания — на уровне граничной точки 4 (рис.2, б):

(4)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.