Введение к работе
Настоящая работа посвящена разработке инженерных методов повышения точности промышленных роботов (ПР) путем аттестации их параметров и внесения соответствующих изменений в программное обеспечение (ПО) системы управления (СУ) ПР, а также разработке эффективных алгоритмов решения кинематических задач в реальном времени.
ЛКТУАЛЬНОСТЬТЕМЬЬ Современный этап развития гибкого автоматизированного производства характеризуется широким внедрением ПР для выполнения основных технологических операций: сварки, сборки, окраски, лазерной резки, снятия облоя и др. При этом предъявляются высокие требования к качественным характеристикам роботов. От них требуются хорошие динамические показатели, высокая точность выхода в аналитически заданное положение, высокая точность контурного движения, наличие средств адаптации к окружающей среде, а также наличие систем автоматизированного программирования. Кроме того, необходимость перенесения программ от одного образца ПР к другому, что предполагает эквивалентное представление, и выполнение программ пользователя различными роботами, требует создания аппарата для оценки (аттестации) параметров математической модели манипулятора, а также средств, позволяющих на основании проделанной аттестации вносить соответствующие изменения в программное обеспечение (калибровка).
Несмотря на то, что каждая степень подвижности манипулятора представляет собой замкнутый контур, в целом робот остается разомкнутой системой с точки зрения управления положением охвата в мировых координатах. Это приводит к тому, что погрешности изготовления и сборки манипулятора не учитываются системой управления и абсолютная погрешность робота становится значительно большей, чем погрешность повторяемости. Например, тестировавшиеся образцы роботов PUMA-560 отклонялись от заданной в мировом пространстве точки на расстояние до 5 мм, в то время как погрешность повторяемости данных ПР составляет не более 0.1 мм. С точки зрения теории управления для уменьшения абсолютной погрешности робота необходимо замкнуть обратную связь с помощью датчиков положения рабочего органа в инерциальной системе координат (СК). Однако на данном уровне развития промышленной робототехники подобная система управления представляется слишком дорогой, либо не способной работать в реальном масштабе времени. Кроме того, на ее
область применения накладываются определенные ограничения. Альтернативным подходом к повышению точности ПР является определение и учет реальных параметров кинематической модели манипулятора после его сборки на предприятии-изготовителе.
В данной работе развиваются методы повышения точности ПР за счет предварительной аттестации параметров геометрической модели манипулятора на основании предварительно проведенных измерений отклонения положения рабочего органа манипулятора от заданного и внесения соответствующих изменений в его программное обеспечение.
В настоящее время известны системы аттестации геометрических параметров манипуляторов, функционирующие как экспериментальные установки для отработки методов измерения, алгоритмического и программного обеспечения. Однако для этих систем характерно применение дорогостоящего измерительного оборудования, либо, в других вариантах, они требуют постоянного участия оператора в процессе измерений. Поскольку целью разработки данных систем является их применение на заводах-изготовителях роботов, то в первом случае значительно увеличиваются накладные расходы, а во втором -увеличивается время на проведение технологической операции аттестации и при этом могут вноситься неконтролируемые субъективные погрешности измерений. В совершенствовании нуждаются также алгоритмы обработки информации и определения значений параметров модели манипулятора. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Разработать общие принципы функционирования, структуру, алгоритмическое, программное и методическое обеспечение автоматизированного комплекса, обеспечивающего повышение точности ПР аттестацией и калибровкой параметров манипуляторов. В соответствии с поставленной целью определены ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ'.
разработка усовершенствованных алгоритмов апестации
геометрических параметров ПР на основании измерения абсолютного
положения рабочего органа манипулятора;
разработка алгоритмов аттестации геометрических параметров ПР на основании измерения положения рабочего органа манипулятора относительно плоской прямоугольной сетки точек;
использование разработанных алгоритмов для аттестации и
калибровки пяти- и шестистепенных антропоморфных ПР;
разработка структуры, алгоритмов функционирования, состава оборудования, методического и ПО автоматизированной системы
аттестации и калибровки геометрических параметров манипуляторов при различных способах проведения измерений. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:
разработана и исследована модель системы аттестации ПР для различных способов пройдений измерений и связанных с ними критериев оценки геометрических параметров манипуляторов;
выделены группы параметров манипулятора по признаку эффективности их нахождения при различных способах организации измерений;
определена зона проведения измерений в рабочем пространстве манипулятора, в которой количество точек измерений может быть минимизировано;
предложен способ проведения аттестации параметров манипуляторов ПР на основе измерений положения рабочего органа на прямоугольной сетке, абсолютное положение которой не известно;
предложен бесконтактный способ определения положения рабочего органа манипулятора относительно контрольных тел и схема организации блока датчиков;
разработаны алгоритмы решения кинематических задач для пятистепенного ПР в реальном времени.
для ПР РМ-01 и Гранат-10 определен ряд параметров, калибровка которых обеспечивает значительное увеличение абсолютной точности;
разработано алгоритмическое и ПО системы аттестации и калибровки параметров манипуляторов РМ-01 и Гранат-10;
разработана методика проведения аттестации и калибровки для автоматизированного комплекса;
на основе разработанных алгоритмов проведена калибровка параметров серийных образцов ПР РМ-01 и Гранат-10;
.разработана версия ПО СУ Сфера-36, дополненная функциями поддержки проведения калибровки в составе автоматизированного комплекса;
разработано ПО СУ ПР Гранат-10 с использованием полученных алгоритмов решения задач кинематики.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы
использовались при выполнениии хоздоговорных научно-исследовательских работ №87-1004/02, №89-1021/02, госбюджетных работ №91-3033, №92-3031. Практическая ценность работы подтверждается актом о внедрении на НПО Гранат.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: НТК "Автоматизация механо-сборочных процессов в машино- и приборостроении" (Севастополь, 1989), МНТК "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ" (Киев, 1989), НТК "Теоретические основы построения гибких производств и роботизация рабочих мест в условиях хозрасчета" (Харьков, 1989), ВНТК "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" (Могилев, 1989), ВНТК "Проблемы комплексной автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в прозводстве радиоэлектронной аппаратуры и вычислительной техники" (Ленинград, 1989), ВНТК "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" (Томск, 1989), II ВНТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990), II ВНТК 'Контроль, управление и автоматизация в современном производстве" (Минск, 1990), V Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1990), научно-техническом семинаре "Применение микропроцессоров, микро- и персональных ЭВМ" (Миасс, 1990), семинаре "Новые направления научных исследований в области электромеханики" (Таллинн, 1991), IFAC Workshop "Algorithms and Architectures for Real-Time Control" (Seoul, 1992).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ, из них 4 отчета по научно-исследовательской работе и 12 тезисов докладов конференций.'