Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленные роботы и робототехнические системы. Учебное пособие
.pdf
В верхний уровень может включаться блок коррекции 6, куда
поступает информация от датчиков 8 ЗУ. Но основная программа
движений, разработанная с использованием информации от датчиков
внешней среды 13, принципиально не изменяется.
Для управления положением звеньев М 9 на блок 12 реализации
программ организуется обратная связь от датчиков 7 положения звеньев. Сигнал от блока 12 подается на исполнение на нижний 3 уровень
к двигателям 11 и передается на звенья по кинематическим связям 10.
СУ робота имеет три уровня управления, взаимодействующих по
иерархическому принципу:
– 1 уровень (верхний) – вырабатывает траекторию движения ЗУ;
– 2 уровень – осуществляет выработку сигналов для управления
движениями звеньев М, т.е. производит распределение движений между звеньями и степенями подвижности в определенной
последовательности. Алгоритм распределения зависит от кинематической структуры М и выполняемого технологического
процесса;
– 3 уровень – исполнительный, осуществляет управление ис-
полнительными приводами.
Таким образом, на 1 уровне реализуются задачи управления, на
2 распределения, а на 3 исполняется задача перемещений.
3.1.3 Классификация информационных систем и датчиков,
используемых в промышленных роботах
Информационные системы (ИС) в значительной степени определяют функциональные возможности ПР, сложность решаемых ими
задач, эксплуатационную надежность и эффективность использования
их, а также являются важным звеном в обеспечении безопасности
обслуживающего персонала.
ИС состоят из набора первичных датчиков, которые выполняют
различные функции в восприятии внешней среды.
По функциональному назначению ИС делятся на три группы:
– системы внутренней информации ПР;
– система восприятия внешней среды;
– система обеспечения техники безопасности.
61
Системы внутренней информации ПР предназначены для оценки
положения звеньев М, определения их скоростей и ускорений, диагностики состояния элементов и аварийных ситуаций, предотвращения
отказов и неисправностей как самого ПР, так и обслуживаемого им
технологического оборудования.
Подсистема определения положений, скоростей и ускорений
звеньев М является специализированной для конкретного типа ПР.
В качестве датчиков положения используются конечные выключатели, проволочные потенциометры, вращающиеся трансформаторы,
цифровые кодовые датчики. Скорости и ускорения определяются с
помощью тахогенераторов или двигателей постоянного тока.
Подсистема технической диагностики должна входить в общую
систему диагностики технологической линии, которую обслуживает
ПР. Она оснащается датчиками давления, температуры, напряжения
и т.д.
Подсистема аварийной блокировки приостанавливает выполнение команд при сбоях как систематического, так и случайного характера. Номенклатура используемых датчиков определяется типом ПР
и характером решаемых им задач.
Система восприятия внешней среды предназначена для получения и в выдачи в СУ информации о наличии какого-либо объекта в
зоне обслуживания М, его форме, ориентации, физических и других
свойствах. Информация о состоянии внешней среды может восприниматься на различном расстоянии от источника.
Различают сверхближение, ближение, дальние и сверхдальние
ИС восприятия внешней среды:
– системы сверхближения используют для очувствления ЗУ
и других частей ПР, контактирующих с объектами внешней
среды. Они позволяют фиксировать контакт с внешней средой,
измерять усилия в месте взаимодействия, определять физические и химические свойства среды. Техническая реализация
этих систем достаточно проста, ограничения накладываются
на быстродействие системы управления роботом. В качестве
датчиков используются конечные выключатели, токопроводящая резина, пьезоэлектрические и тензометрические датчики,
тарированные пружины;
62
– системы ближнего действия обеспечивают получение инфор-
мации вблизи робота бесконтактным способом. Они сложнее,
чем сверхближние, но имеют большее быстродействие и могут
корректировать свои действия при приближении к объекту;
– системы дальнего действия позволяет получить информацию
о внешней среде в объёме всей зоны обслуживания ПР;
– системы сверхдальнего действия применяется в подвижных ПР
и предназначены для получения информации о препятствиях
на пути движения.
Во всех системах используются локационные датчики, с акустическими, магнитными, оптическими, радиационными, радиоволновыми,
тепловыми, электрическими, электромагнитными и пневматическими
методами преобразования.
Система обеспечения техники безопасности образуется совокупностью и взаимодействием отдельных элементов контроля
внутреннего состояния ПР и внешней среды в сочетании со специальными информационными устройствами и механизмами защиты обслуживающего персонала. Эта часть ИС должна формировать сигнал
аварийной ситуации, который может сниматься только оператором.
В качестве датчиков используются контактные, силовые, ультразвуковые, индукционные и другие датчики.
Для предотвращения попадания обслуживающего персонала в
рабочую зону ПР наиболее целесообразно использовать светолокационные датчики различных конструкций, устанавливаемые на створках
ограждений, предохранительных решетках и т.д.
3.1.4 Очувствление и техническое зрение промышленного
робота
Главная цель информационного очувствления – сделать возможной работу ПР в неупорядоченной, случайным образом меняющейся
обстановке, причем робот должен иметь способность реагировать на
все изменения.
Следовательно, М должен снабжаться специальными датчикам
состояния, а также необходимо соответствующее программное обеспечение работающего с роботом компьютера или контроллера,
позволяющее воспринимать информацию и выдавать управляющие
63
сигналы в реальном режиме времени. Роботы, способные выполнять
такие операции, называются интеллектуальными ПР.
Интеллектуальный ПР имеет многоуровневую замкнутую иерархическую систему управления, блок-схема которой показана на
рисунке 19.
Рис. 19 – Блок-схема очувствления ПР, управляемого
от компьютера или контроллера
Датчики очувствления ПР должны обеспечивать выполнение
следующих функций:
– получение информации о положении и ориентации М и объ-
екта манипулирования;
– коррекция положений М и ЗУ;
– получение информации о деформации изделий с помощью
средств технического зрения;
– получение информации о силах между ЗУ и деталью с помо-
щью средств тактильного очувствления;
– получение информации о температуре окружающей среды,
химических веществах в ней и т.д.
64
Визуальные датчики ПР, в основном, базируются на камерах или
устройствах с лазерным лучом, от которых сигналы поступают на компьютер и анализируются. Большинство зрительных систем работают
в режиме обратной связи, т.е. следят за ошибками между реальным и
желаемым положениями ЗУ. Камеры располагаются как на ПР, так и
отдельно. Камера, обычно, жестко устанавливается в системе координат и, поэтому, существуют различные способы калибровки камер
для установления реального положения ЗУ.
Существуют различные конструкции специальных робототехнических датчиков для выполнения сложных и высокоточных сборочных операций, например в часовой и электронной промышленности,
которые, обычно, устанавливаются в сочленении рука-ЗУ, т.е. в запястье М. Они измеряют силы и моменты, воспринимают отклонения
упругих частей, связанных с датчиками, а алгоритм обратной связи
вырабатывает команды на перемещения.
Существуют датчики эквивалентные осязательным и мышечным
рецепторам, называемые тактильными, которые при непосредственном контакте с предметом дают информацию о шероховатости, влажности, нагреве, текстуре поверхности детали и делятся на датчики
контакта и давления.
3.1.5 Обучение промышленных роботов
Требования к программному обеспеченно ПР определяются типами устройства управления (цикловое, позиционные, позиционно-контурное, универсальное) и специальными требованиями, связанными
с особенностями применения роботов.
В робототехнике используется три метода программирования:
– ручное обучение или показ-и-обучение. В этом случае сам
робот используется на разных стадиях программирования.
Оператор с пульта перемещает М по всем точкам траектории,
а компьютер запоминает каждое движение, создавая в памяти
файл движения, который потом может многократно воспроизводиться;
– обучение ведением или сопровождение. Этот метод состоит
в том, что оператор вручную проводит ЗУ робота по желаемой траектории с требуемыми скоростями и ускорениями.
Одновременно осуществляется запоминание и запись этого
65
движения. Этот метод применяется к определенной группе ПР,
для которых приводы можно перемещать вручную, записывая
при этом траекторию. Может иметься второй М или имитатор,
который может перемещаться вдоль желаемой траектории (обучающая рука), а компьютер осуществляет запись программы
перемещения. Метод применяется только там, где необходимо
осуществить очень сложное движение, например сварка или
окраска кузовов автомобилей;
– языки программирования – позволяет иметь доступ к инфор-
мации от датчиков, расположенных на руке М и задавать движение роботу. Эти языки называются явными или роботоориентированными языками программирования. Они позволяют
использовать информацию от внешних и внутренних систем
очувствления. Основным недостатком по сравнению с первыми двумя методами является высокие требования к оператору,
который должен быть квалифицированным программистом.
3.1.6 Обзор и характеристика роботоориентированных
языков программирования
К настоящему времени разработано большое число языков программирования ПР. Наиболее известные из них: VAL, AML, HELP,
MCL, SIGMA, AL, PLAW, GRL, RAPS, CES. Рассмотрим некоторые
из них.
Язык VAL предназначен для управления всеми роботами типа
«Пума» и для работы с сериями Unimate-2000 и Unimate-4000. Представляет собой язык программирования роботов и одновременно
систему управления, разработанную для поддержки роботов фирмы
Unimation. VAL имеет структуру языка BASIC, дополненную большим
количеством новых командных слов для программирования роботов.
Монитор поддерживает пользовательский терминал, гибкий диск,
обучающий блок, модуль дискретного ввода-вывода и в случае необходимости систему наблюдения. Взаимодействие с системой технического зрения, служащей для определения координат объектов в
поле зрения сборки, поддерживается введением специальных команд.
VAL – один из наиболее распространенных языков программирования промышленных роботов. Он обеспечивает выполнение
66
широкого класса заданий (сборка, дуговая и точечная сварка, окраска,
операции типа «взять-перенести-положить» и т.п.).
Язык PLAW – низкого уровня. Он предназначен для программирования сварочного робота. Не требует больших вычислительных
мощностей.
Язык AL – алголоподобный язык высокого (объектного) уровня
для программирования манипуляционных (прежде всего сборочных)
задач на уровне технологических операций. Может одновременно
управлять четырьмя манипуляторами: двумя роботами типа «Пума»
и двумя роботами типа «Stanford Arm». В систему программирования
помимо языка входит транслятор, система управления манипулятором и внешними устройствами. AL включает стандартный набор
операторов, обеспечивающих формирование блоков, циклов, рекурсий, макроопределений различных типов данных (REAL, INTEGER,
SCALAR, VECTOR, FRAME).
Язык GRL – это функциональный язык программирования для
создания больших модульных систем управления. Как и в языке
поведения, в GRL в качестве основных конструктивных блоков используются конечные автоматы. Но в качестве настройки над этими
автоматами язык GRL предлагает гораздо более широкий перечень
конструкций для определения коммуникационного потока и синхронизации ограничений между различными модулями, чем язык поведения. Программы на языке GRL компилируются в эффективные
программы на таких языках, как С.
Еще одним важным языком программирования (и связанной с ним
архитектурой) для параллельного робототехнического программного
обеспечения является система планирования реактивных действий,
или сокращенно RAPS. Система RAPS позволяет программистам
задавать цели, планы, связанные с этими целями (или частично определять политику), а также задавать условия, при которых эти планы,
по всей вероятности, будут выполнены успешно. Крайне важно то,
что в системе RAPS предусмотрены также средства, позволяющие
справиться с неизбежными отказами, которые возникают в реальных
робототехнических системах. Программист может задавать процедуры
обнаружения отказов различных типов и предусматривать процедуру устранения исключительной ситуации для каждого типа отказа.
67
В трехуровневых архитектурах система RAPS часто используется
на исполнительном уровне, что позволяет успешно справляться с
непредвиденными ситуациями, не требующими перепланирования.
Язык CES – это языковое расширение C++, в котором объединяются вероятностные средства и средства обучения. В число типов
данных CES входят распределения вероятностей, что позволяет программисту проводить расчеты с использованием неопределенной
информации, не затрачивая тех усилий, которые обычно связаны с
реализацией вероятностных методов.
Еще более важно то, что язык CES обеспечивает настройку робототехнического программного обеспечения с помощью обучения на
основании примеров, во многом аналогично тому, что осуществляется
в алгоритмах обучения. Язык CES позволяет программистам оставлять
в коде «промежутки», которые заполняются обучающими функциями;
обычно такими промежутками являются дифференцируемые параметрические представления, такие как нейронные сети . В дальнейшем
на отдельных этапах обучения, для которых учитель должен задать
требуемое выходное поведение, происходит индуктивное обучение с
помощью этих функций. Практика показала, что язык CES может
успешно применяться в проблемных областях, характерных для частично наблюдаемой и непрерывной среды.
68
РАЗДЕЛ 4: «ПР ДЛЯ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ
И ТРАНСПОРТНО-СКЛАДСКИХ РАБОТ»
4.1 Роботы для погрузочно-разгрузочных
и транспортно-складских работ
Развитие ПР позволило решить задачи автоматизации таких работ, как загрузка и разгрузка конвейерных линий, технологического
оборудования, автомобильного и железнодорожного транспорта,
пакетирования и штабелирования грузов, а также перегрузочные
работы в море.
Все многообразие операций при погрузочно-разгрузочных и
транспортно-складских работах можно разделить на две группы:
– однотипные, многократно повторяющиеся в течение некоторо-
го промежутка времени, для которых может быть разработан
алгоритм движений и применен ПР;
– когда работа идет в условиях отсутствия полной информации и
требуется постоянное вмешательство оператора. В этом случае
применяются М с ручным управлением.
Рабочие операции при погрузочно-разгрузочных и транспортноскладских работах характеризуются:
– обслуживаемым объемом, т.е. пространством, в котором пере-
мещается РО;
– рабочим объемом-пространством, в котором могут находиться
робот и подвижные элементы исполнительного устройства;
– требуемая и допускаемая траектории РО;
– время цикла;
– погрешности позиционирования в отдельных точках траек-
тории;
– скорости перемещения груза;
– специальные требования
При производстве погрузочно-разгрузочных работ ПР работают в ограниченном пространстве склада, вагона, контейнера и т.д.,
что накладывает ограничения на их конструкцию. Все операции по
укладке и штабелированию груза можно рассматривать как работы с
препятствиями переменной конфигурации.
69
По видам траекторий и их расположению в пространстве погру-
зочно-разгрузочные операции подразделяются на два вида:
– основные рабочие движения совершаются в одной или не-
скольких плоскостях, расположенных друг к другу под углом,
как правило, кратным 90°. К ним относятся укладка в тару или
контейнер, установка тары и т.д.;
– операций в пространстве, когда траектория представляет собой
отрезки прямых линий, расположенных горизонтально или
вертикально – штабелирование, пакетирование и т.д.
При проектировании роботов необходимо учитывать, что грузы
в горизонтальной плоскости переносятся и разворачиваются, в вертикальной – занимают неизменное положение.
У роботов, обслуживающих конвейерные линии, должны быть
синхронизированы скорости движения их РО со скоростью движения
конвейера.
В общем случае выполнение рабочих операций, связанных с
перемещением и ориентацией груза в пространстве, можно обеспечить с помощью М содержащего 6 произвольно расположенных
кинематических пар V класса, три из которых приводят в действие
ЗУ. В базовой плоскости М располагается не менее двух пар, а для
получения пространственного перемещения базовая плоскость поворачивается относительно вертикальной оси или перемещается поступательно относительно оси или перпендикулярной базовой плоскости.
Структурные схемы исполнительных устройств в базовой плоскости
показаны на рисунке 20.
Погрузочно-разгрузочные роботы имеют большую грузоподъемность, поэтому в них нашел преимущественное использование
гидропривод с поворотными гидродвигателями и гидроцилиндрами
для поступательных пар.
4.1.1 Принципы агрегатно-модульного построения
промышленного робота, преимущества, область применения
Одним из путей снижения стоимости ПР является их построение
на агрегатно-модульной основе. Под этим понимается создание роботов на базе унифицированных функциональных модулей, имеющих
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]