Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы применения манипуляторов универсальных промышленный роботов 11
1.1 Особенности использованя робототехнических систем и шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 11
1.2 Принцип построения математической модели и преобразование координат универсального промышленного робота 19
1.3 Решение прямой кинематической задачи для шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота 27
1.4 Решение обратной кинематической задачи для шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 38
1.5 Выводы по разделу 46
2 Математические модели погрешностей манипулятора универсального промышленного робота 47
2.1 Погрешности шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота 47
2.2 Математическая модель погрешности повторяемости шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота 50
2.3 Математическая модель погрешности позиционирования шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота 60
2.4 Выводы по разделу 67
3. Измерительная установка для реализации автоматизированной калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 68
3.1 Калибровка шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 68
3.2 Устройство измерительной установки для реализации автоматизированной калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 69
3.3 Алгоритм автоматизированной калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 77
3.4 Выводы по разделу . 82
4 Метод измерительного контроля параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 83
4.1 Контактные методы измерительного контроля параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов 83
4.2 Бесконтактные методы измерительного контроля параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов 88
4.3 Метод активного измерительного контроля параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 92
4.3.1 Построение диагностических комплексов сложных механических систем на основе метода активных измерений 92
4.3.2 Метод активных измерений при измерительном контроле параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 94
4.3.3 Реализация метода активных измерений при измерительном контроле параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 100
4.3.4 Методика определения дефектов шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов на основе метода активных измерений 106
4.4 Алгоритм активного измерительного контроля 108
4.5 Математическая модель методических погрешностей измерительного контроля параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов 112
4.6 Выводы по разделу 116
5 ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов и ее практическое использование 117
5.1 ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов 117
5.2 Алгоритм работы ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов УПР 125
5.3 Описание работы программного обеспечения ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов УПР 127
5.4 Экспериментальное исследование манипуляторов 131
5.5 Методика отбора манипуляторов и ее практическое использование 135
5.6 Практические результаты внедрения УПР, изготовленных с применением ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов УПР 138
5.7 Выводы по разделу 140
Заключение 141
Библиографический список 143
- Принцип построения математической модели и преобразование координат универсального промышленного робота
- Математическая модель погрешности повторяемости шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота
- Устройство измерительной установки для реализации автоматизированной калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов
- Бесконтактные методы измерительного контроля параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов
Введение к работе
Современная автомобилестроительная отрасль, развивающаяся в условиях жесткой конкуренции, для обеспечения оперативности и качества изделий требует широкого применения универсальных промышленных роботов (УПР). Повышение надежности роботов невозможно без организации их производства, обслуживания и ремонта на основе данных о фактическом состоянии, которые можно получить путем измерительного контроля. Опыт ведущих зарубежных фирм, специализирующихся на производстве средств робототехники, подтверждает, что разработка методов и средств и построение на их основе соответствующих ИИС для измерительного контроля роботов является одним из важнейших факторов повышения экономической эффективности применения роботов, более полного использования их доремонтно-го и межремонтного ресурса.
В настоящее время универсальные промышленные роботы (УПР) используются на самых различных операциях: устанавливают заготовки и снимают готовые детали с металлорежущих станков, загружают и разгружают кузнечные и штамповочные прессы, производят зачистку деталей шлифованием и снятие облоев литья, выполняют контактную, дуговую, плазменную, лазерную и лазерную гибридную сварку, лазерную и плазменную резку, гидрорезку, нанесение покрытий мастик, герметиков и клеев, осуществляют сборку изделий [10,12,13,14,18].
Следует отметить, что задача контроля параметров роботов традиционно решалась путем усложнения технических средств измерительного контроля. При этом разработка новых методов измерительного контроля для определения параметров роботов позволяет обеспечить решение данных задач роботов более эффективно.
Таким образом, разработка методов и средств диагностики УПР и разработка на их основе ИИС для определения параметров калибровки манипуляторов УПР является актуальной задачей.
Потенциальные пользователи и производители роботов должны иметь возможность формулировать требования к ним в виде количественных значений наиболее важных технических параметров, к которым относятся параметры калибровки манипуляторов роботов, а также обладать методами и располагать соответствующими средствами для измерительного контроля этих параметров перед вводом роботов в эксплуатацию.
Качество и уровень автоматизации производственных процессов в большой степени зависят от уровня развития информационно-измерительных систем, а качество последних, в свою очередь, определяется развитием методов измерения технологических параметров. Для повышения эффективности и удешевления роботизированных технологических комплексов нужны новые методы и средства ИИС калибровки роботов и измерительного контроля параметров калибровки роботов [119].
Такие ИИС обеспечивают контроль параметров математической модели робота, заложенной в систему управления, путем сравнения с параметрами реального робота. Для этого требуется провести калибровку манипуляторов УПР, затем определить и проконтролировать параметры калибровки. Решение данной задачи позволяет решить проблему обеспечения взаимозаменяемости роботов при применении их в роботизированных технологических процессах. Например, в процессе производства кузовов автомобилей в ОАО АВТОВАЗ возможен выход из строя манипулятора УПР. Ранее, до внедрения такой процедуры калибровки, требовалась корректировка пространственных точек рабочей программы УПР после замены манипулятора. Это приводило к увеличению времени простоя автоматических линий сварки кузовов автомобилей и, как следствие, уменьшению производительности. Внедрение измерительной установки для реализации калибровки, а также измерительных средств для определения параметров калибровки, обеспечивающих взаимозаменяемость УПР, позволяет исключить эти потери.
Фактически, УПР становится работоспособным оборудованием не после того, как осуществлена его сборка и монтаж, а лишь после того, как проведена технологическая процедура его калибровки, обеспеченная средствами измерительного контроля параметров выполненной калибровки. Калибровка манипуляторов УПР и последующее определение параметров калибровки манипуляторов УПР предшествуют сдаче робота в эксплуатацию.
Калибровка позволяет:
- гарантировать способность робота воспроизводить запрограммиро
ванные пространственные точки с величинами погрешностей, не превы
шающими обусловленные допуски;
-достичь взаимозаменяемости манипуляторов универсальных промышленных роботов в роботизированных автоматических линиях и комплексах;
- выполнять контурные движения в рабочем пространстве УПР.
У манипулятора УПР кинематические параметры, описанные в номинальной модели, содержащейся в памяти системы управления роботом неизменны в рамках одинаковой модели манипулятора. Калибровка расположения присоединенных систем координат сочленений определяет место расположения конструктивных механических нулей присоединенных систем координат сочленений и не требует корректировки номинальной модели.
Цель и задачи работы. Цель работы заключается в обосновании и разработке метода и средств активного измерительного контроля параметров калибровки универсальных промышленных роботов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
разработать математические модели манипулятора УПР;
на основании полученной математической модели манипулятора УПР разработать математические модели погрешностей повторяемости и позиционирования манипулятора УПР;
- разработать метод и средства, обеспечивающие автоматизацию изме
рительного процесса контроля параметров калибровки манипулятора УПР.
Методы исследования. В работе использованы методы теории измерений, теории векторной алгебры, теории матриц, теории робототехники, теории погрешностей. Теоретические положения работы подтверждены результатами экспериментальных исследований, полученные лично автором на разработанном и внедренном им стенде измерительного контроля контурных перемещений промышленных роботов в производстве технологического оборудования ОАО «АВТОВАЗ».
Научная новизна работы заключается в следующем:
на основе уменьшения размерности матриц сдвига и поворота получено оптимальное решение прямой кинематической задачи, которое позволяет упростить процедуру измерительного контроля параметров калибровки шестизвенного манипулятора УПР;
разработаны математические модели погрешности повторяемости и погрешности позиционирования манипулятора УПР;
разработан метод активного измерительного контроля параметров калибровки, обеспечивающий инвариантность характеристической точки рабочего органа относительно положения манипулятора УПР;
на основе разработанного метода активного измерительного контроля параметров калибровки получена методика определения механических дефектов в манипуляторах промышленных роботов;
разработана математическая модель погрешностей метода активного измерительного контроля параметров калибровки, обусловленных отклонением оси чувствительности датчика и смещением оси контактной части датчика по отношению к оси чувствительности.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработана ИИС для определения параметров калибровки универ
сальных промышленных роботов;
промышленное внедрение ИИС для определения параметров калибровки позволило ОАО "АВТОВАЗ" повысить качество изготовления промышленных роботов и отказаться от закупки импортного оборудования;
разработана методика отбора шестиз венных манипуляторов УПР для роботизированных технологических приложений, нуждающихся в повышенной точности, основанная на анализе измеряемых величин максимального отклонения координат характеристической точки рабочего органа УПР по декартовым осям;
внедрение метода активного измерительного контроля позволило обеспечить взаимозаменяемость шестизвенных манипуляторов УПР в автоматизированных линиях и комплексах;
собран и исследован экспериментальный материал по измерительному контролю параметров калибровки роботов ПР150 (95 роботов).
Реализация и внедрение результатов работы, В диссертационной работе отражены результаты, полученные лично автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ в рамках плана научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «АВТОВАЗ» в 1997-2004 гг. Способ ориентации инструмента манипулятора относительно поверхности и устройства, реализующие элементы системы, на которые получены патенты РФ на изобретения № 2084820, №2185953, №2189899, внедрены в производство, что подтверждается соответствующими актами об использовании изобретений.
Основные положения, выносимые на защиту:
решение прямой кинематической задачи для шестизвенного манипулятора УПР и полученные на ее основе математические модели погрешности повторяемости и позиционирования;
метод активного измерительного контроля параметров калибровки УПР;
измерительно-вычислительные алгоритмы, реализующие разработанный метод активного измерительного контроля параметров калибровки;
методика определения механических дефектов УПР, базирующаяся на оценке величины биения характеристической точки калибровочного инструмента;
математическая модель погрешностей метода активного измерительного контроля параметров калибровки манипуляторов УПР.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XVI научно-практической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2004»» (Судак, 2004); Всероссийских семинарах «Робототехника и мехатроника» (Москва, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2005), конгрессах технологов автомобилестроения, (Москва, 2003, 2004); семинаре «Методы использования искусственного интеллекта в автоматизированных системах» (Самара, 1991), на научно-технических семинарах кафедры «Радиотехнические системы» Самарского государственного технического университета (2001-2005 гг.), научно-технических совещаниях ОАО «АВТОВАЗ».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 21 научная работа, в том числе 8 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка литературы и семи приложений. Общий объем работы - 180 страниц, включая 36 рисунков, 9 таблиц, 12 страниц библиографического списка литературы из 122 наименований и 26 страниц приложений.
Принцип построения математической модели и преобразование координат универсального промышленного робота
Основная задача кинематики — определение функции положения. Для пространственных механизмов наиболее эффективными методами решения этой задачи являются векторный метод и метод преобразования координат [9]. При решении прямой задачи о положении характеристической точки РО манипулятора обычно используют метод преобразования координат. Из множества методов преобразования координат [31,37,38,83,85,88,98,109,118], которые отличаются друг от друга правилами выбора осей координат сочленений, для манипуляторов обычно используется метод Денавита и Хартен-берга (ДХ) [82]. Эти правила были дополнены в работах Хайяти и Ньюмэна [44,83-85,102].
К важнейшим задачам, возникающим в процессе разработки, проектирования и доводки УПР, относятся задачи создания и верификации алгоритмов систем управления манипуляторами и задачи калибровки манипуляторов. Решение первой из них требует исследования структуры, геометрии и кинематики механической системы с пространственными многоподвижными механизмами и получение на основе этих исследований исходных данных для управления роботом. Решение второй органично вытекает из первой, поскольку требует построения математических моделей погрешностей универсальных манипуляторов и осуществления их компенсации перед сдачей в эксплуатацию. К последним относятся погрешности повторяемости и позиционирования [35].
Предметом исследования кинематики манипулятора является описание геометрии движения характеристической точки манипулятора относительно некоторой заданной абсолютной системы координат без учета сил и моментов, порождающих это движение [48]. Здесь выделяют две основные задачи. Первая из них, называемая прямой задачей или задачей анализа, заключается в поиске закона изменения абсолютных координат характеристической точки РО, закрепленного на конечном звене манипулятора по заданным законам изменения относительных или абсолютных присоединенных координат сочленений звеньев. Вторая задача, называемая обратной или задачей синтеза, состоит в определении по требуемым траекториям изменения положения характеристической точки РО соответствующих им изменений углов сочленений в приводах манипулятора.
Рассмотрим решение первой задачи применительно к структуре шести-звенного универсального манипулятора, являющейся в настоящее время наиболее перспективной для построения различных типов УПР.
Под механизмом данного манипулятора будем понимать разомкнутую цепь звеньев, последовательно соединенных вращательными кинематическими парами пятого класса. Первое начальное звено манипулятора будем называть его основанием, а последнее - конечным звеном. Все звенья манипулятора рассматриваются как твердые тела. Пронумеруем звенья, в порядке возрастания начиная от основания, которому присвоим индекс 0, до конечного звена, которому присвоим индекс п.
Соседние звенья соединяются элементарным сочленением, имеющим две соприкасающиеся поверхности, скользящие друг относительно друга. Из шести типов различных элементарных сочленений: вращательного, поступательного, цилиндрического, сферического, винтового и плоского, наиболее часто используют вращательное и поступательное [44]. Прономеруем сочленения манипулятора в том же порядке, что и звенья. Сочленением 1 будет считаться точка соединения звена 1 и основания манипулятора. В соответствие с первоначальной постановкой каждое звено соединено не более чем с двумя другими с тем, чтобы не было образовано замкнутых цепей.
Для каждого последующего / -го звена на оси его сочленения определяется ортонормированная декартова система координат OJXJYJZJ, где i = l,...,п\ п — число сочленений. Далее выбираются правила привязки систем координат к звеньям манипулятора. Если принять соглашение Денавита и Хартенберга [82], то каждая система координат формируется на основе следующих правил: - ось Zt направляют вдоль оси (і + /)-го сочленения; -ось Xt совпадает с общим перпендикуляром к осям (і-7)-го и г-го сочленений и направлена от (/- /)-го сочленения; - ось Yi выбирается по правилу правой тройки векторов. При этом остается некоторая свобода привязки 0-й базовой и и-й систем координат: координатная ось ZQ направляется вдоль оси первого сочленения, а последняя, и-я система координат, может быть связана с любой точкой и-го звена так, чтобы ось Хп была перпендикулярна оси Zn_}.
Математическая модель погрешности повторяемости шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота
Погрешность повторяемости определяется величиной отклонения положений характеристической точки рабочего органа робота в процессе совершения многократных повторяющихся движений в одну и ту же точку пространства при одной и той же конфигурации звеньев. Источником погрешности повторяемости манипуляторов УПР являются люфты в шарнирах сочленений [80]. Используя математическую модель УПР, полученную в процессе решения прямой кинематической задачи в первом разделе, разработаем модель погрешности повторяемости УПР. Поскольку на практике работа УПР в роботизированных технологических комплексах и линиях происходит только в положении ПРАВОЙ руки или еще реже только положении ЛЕВОЙ руки, то люфты во втором и третьем шарнирах выбираются под действием собственного веса звеньев и веса рабочего органа. С учетом этого имеем: b2 b3=0, (2.1) где .?, Ь3 — люфты в 2 и 3 сочленении. Эта составляющая уменьшает величину погрешности повторяемости в рабочем пространстве УПР.
Кисть манипулятора, исходя из определения погрешности повторяемости, имеет одинаковую конфигурацию кистевых сочленений при многократных приходах в одну и ту же точку рабочего пространства. Пятый шарнир может быть установлен в некоторых случаях четвертым шарниром так, что его ось вращения окажется сонаправленной действию силы тяжести. В такой кинематической конфигурации возникает люфт в пятом шарнире. Если ось вращения пятого шарнира располагается перпендикулярно действию силы тяжести, то люфт в данной конфигурации выбирается под действием силы тяжести. В последнем случае погрешность повторяемости уменьшается в связи с тем, что под действием собственного веса выбирается люфт пятого сочленения Ьj . Отсюда следует и практическая рекомендация по расположению, по мере возможности, оси вращения пятого шарнира перпендикулярно действию силы тяжести. Это уменьшит значение погрешности повторяемости в рабочих программах УПР и значение погрешности при калибровке РО.
Диаграмма зависимости суммарной погрешности повторяемости при движении в нулевое положение от люфтов в редукторах кинематических пар Чтобы учесть такое влияние, логично рассчитывать погрешность повторяемости при приходе манипулятора УПР в некоторое положение, которое было бы характерным для манипуляторов всех типов. Таким характерным положением является нулевое положение УПР, когда каждое сочленение не имеет поворота внутри собственной системы координат, т.е. такое положение, в котором он изображен на рисунке 1.1. Такой подход представлен, например, в работе [80]. Он позволяет сравнивать между собой различные типы роботов по значению погрешности повторяемости в нулевом положении и упрощает задачу расчета.
На рис.2.3-2.5 приведены диаграммы зависимости погрешности повторяемости по осям У, X и Z при движении в нулевое положение от люфтов в редукторах кинематических пар. На рис.2.6 представлена диаграмма зависимости суммарной погрешности повторяемости при движении в нулевое положение от люфтов в редукторах кинематических пар.
На основании представленных диаграмм видно, что если манипулятор имеет по указанным сочленениям одинаковые люфты bt (например, в них применены механические редукторы одинаковой конструкции - что характерно для шарнирных манипуляторов), то существует линейная зависимость между величиной люфтов в сочленениях и величиной погрешности повто 60 ряемости Ar(nuuj. Прослеживается увеличение погрешности повторяемости Дфиіі) при увеличении значений люфтов ,.
Такое представление погрешности повторяемости Лфищ позволяет получить ее значение аналитически. Для этого достаточно знать значения люфтов bt в механических передачах кинематических пар сочленений.
Погрешность позиционирования определяется величиной отклонения координат фактического положения характеристической точки рабочего органа робота от идеального запрограммированного положения, возникающего вследствие отклонения параметров реального манипулятора УПР от параметров его модели. Таким образом, это расстояние между той точкой, куда в действительности приведена характеристическая точка рабочего органа УПР, и той точкой, куда ему было предписано перейти в рамках рабочего пространства УПР, т.е. теоретически (программно) заданной точкой.
Наибольшее влияние на погрешность позиционирования робота оказывают длины звеньев робота. Причиной является производственный разброс в размерах от одного серийного УПР к следующему. Различия между номинальной нулевой позицией сочленения, сообщенной устройству управления УПР при помощи датчиков положения сочленений и реальной нулевой позицией сочленения, также влияют на величину погрешности позиционирования робота. Для шарнирного 6 - осевого робота, сочленения 1, 2, и 3 влияют на позицию, и сочленения 4, 5, и 6 влияют, прежде всего, на ориентацию характеристической точки РО- Математическая модель УПР, заложенная в систему управления УПР, включает номинальные кинематические параметры звеньев. Кроме того, предполагается, что взаимная ориентация сочленений на роботах одного типа повторяется. Однако на практике это не выполняется. В результате СУР неправильно оценивает положение характеристической точки РО в рабочем пространстве манипулятора УПР, получая информацию о положении углов в сочленениях только от датчиков, расположенных на валах электродвигателей сочленений.
В первом разделе было показано, что если преобразование, связывающее (І-J) -ю и і -тую системы координат звеньев, формируются с помощью смещений px,i-i, Ру.п, Рг.і-i п0 осям х, у, z и трех вращений относительно этих осей (углы Эйлера) (рис.2.7) и ось z направлена по оси вращения, то оно может быть представлено выражением (1.1).
Устройство измерительной установки для реализации автоматизированной калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов
Поскольку процесс калибровки состоит из совокупности операций и требует реализации сложного алгоритма, то для реализации метода калибровки УПР необходима специализированная измерительная установка.
К измерительной установке для реализации калибровки шестизвенных манипуляторов УПР предъявляются следующие требования: - положения характеристической точки РО во всей рабочей зоне робота должны измеряться при очень небольших ограничениях на допустимую ориентацию РО; - измерения должны быть бесконтактными, в противном случае внешние силы и моменты создадут упругие деформации, которые внесут погрешность в результаты калибровки; - измерения должны проводиться без участия человека.
Для целей калибровки достаточно измерить только положения характеристической точки РО, так как все параметры реального УПР можно определить, когда измеряемая характеристическая точка РО расположена на инструментальном фланце последнего звена. Это важно, так как проводится измерение не только положения, но и ориентации.
Сравнение различных методик измерения [39,46,90-93,114-116,122] позволяет сделать вывод, что измерительная установка, использующая принцип теодолита, удовлетворяет этим требованиям. Для реализации таких методик, как правило, используется телевизионная камера, сопряженная с компьютером, позволяющая регистрировать изображения стационарных объектов.
Рассмотрим в качестве примера измерительную установку для калибровки УПР на базе системы технического зрения (СТЗ). Установка используется для пространственных измерений УПР и его узлов. Бесконтактный метод измерений основывается на телевизионном способе регистрации, рассмотренном в работе [45], позволяющем более точно определять геометрические параметры объектов, путем программной обработки видеоизображения. Применяемая в измерительной установке промышленная видеокамера 8 типа Rollei Reseau - Scanning инвариантна относительно временных влияющих факторов. Эту видеокамеру характеризуют широкие функциональные возможности, высокая точность измерений и широкий диапазон измерений. Данная видеокамера используется в качестве бесконтактного оптического датчика расстояния.
Особенностью видеокамеры является наличие в ней элемента восприятия изображения (ПЗС-чипа) который перемещается внутри видеокамеры на подвижных салазках и, аналогично декартовому роботу, может позиционировать в любых заданных координатах по трем направлениям: вертикальное, горизонтальное и позиционирование для настройки глубины резкости. Таким образом, видеокамера 8 может настраиваться на любое пространственное положение калибруемого УПР 3 в пределах нахождения маркировочных элементов для измерения и в пределах зоны видимости. За один этап измерений видеокамера схватывает все светоотражающие маркировочные элементы объекта измерения, что занимает примерно 3 минуты.
При включении камеры проводится ее инициализация. Для этого видеокамера имеет внутреннюю сетчатую решетку. Инициализация заключается в определении отношения между шаговым двигателем и решетчатой системой камеры, т.е. происходит адаптация ПЗС-чипа к встроенной сетчатой решетке. Настройка производится по всем координатам перемещения ПЗС-чипа: вертикальное и горизонтальное перемещение, а также настройка глубины резкости. Данные отношения перемещения шагового двигателя ПЗС-чипа к параметрам решетки обновляются при каждом включении камеры и затем записываются в память компьютера. Затвор видеокамеры при этом закрыт.
Связь видеокамеры 8 с обрабатывающим компьютером 6 осуществляется при помощи блока управления видеокамерой 7, выполненного в виде модуля, установленного на системную шину обрабатывающего компьютера 6.
В состав измерительной установки входят калибровочные плиты 4 и 5 с маркировочными элементами. Расстояние до маркировочных элементов определяется видеокамерой 8.
На место крепления манипулятора робота предварительно устанавливается калибровочная плита 5. Таким образом, используя данное вспомогательное средство измерения, видеокамера 8 тарируется при помощи маркировочных элементов (выполненных в форме круга) калибровочной плиты 5 и, при этом, определяется расположение начала системы координат робота (OoXoYJZJ) относительно системы координат видеокамеры (О У ). Размер маркировочных элементов составляет 15 мм в диаметре. Как правило, математическое начало системы координат универсального промышленного робота находится в центре основания и совпадает с осью вращения первого сочленения. С помощью измерения видеокамерой 8 определяется положение и ориентация центра основания манипулятора относительно видеокамеры 8. Видеокамера и основание манипулятора УПР приводятся в надлежащее пространственное соотношение без необходимости использования кинематических данных и существующей разницы между различными типами манипуляторов роботов. В приложении А представлена фотография калибровочной плиты 4,
В качестве инструмента на фланце робота закрепляется другое вспомогательное измерительное средство (в виде калибровочной плиты 4) со свето-отражательными маркировочными элементами, до которых определяется расстояние. Маркировочные элементы калибровочной плиты 4 имеют такую же форму и размеры, как и маркировочные элементы калибровочной плиты 5. В качестве результата измерения получают фактические координаты существующей позиции робота (позиции и ориентации характеристической РО. Полученные результаты, путем решения обратной кинематической задачи для данного типа робота, представленной в первом разделе, преобразуются в систему обобщенных координат сочленений робота.
Бесконтактные методы измерительного контроля параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов
Бесконтактные методы основаны на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения [75]. В [26] рассматриваются бесконтактные методы определения действительного положения манипулятора с помощью систем технического зрения (СТЗ). Эти методы выгодно отличаются от уже имеющихся подходов к решению данной проблемы. СТЗ является перспективным средством для решения задач измерительного контроля, управления, адаптации в робототехнике, обладает свойством универсальности и перепрограммируемости. Видеокамеры современных СТЗ, на основе ПЗС - матриц, отличаются малыми габаритами, минимальной систематической погрешностью по сравнению с другими датчиками видеоинформации и способны работать в условиях минимальной освещенности [25].
Существует несколько способов размещения видеокамер над рабочей поверхностью робота; неподвижно над рабочей областью, на последнем звене манипулятора (hand-eye method) и комбинированный способ [24].
В результате исследования проблемы определения положения манипулятора с помощью СТЗ [39] оказалось, что больше подходит схема размещения видеокамер на последнем звене манипулятора, так как в этом случае меньше вероятность попадания в поле зрения видеокамер манипулятора, и представляется возможным получить информацию о положении манипулятора во всем его рабочем пространстве с минимальными аппаратными затратами.
Измерительный контроль положения характеристической точки робота при помощи установленных на нем трех видеокамер представлен на рис.4.3.
Для более точного определения положения характеристической точки манипулятора нужно выводить робот в одну и туже точку несколько раз, а затем провести статистическую обработку результатов. В первом разделе данной работы выбрана и определена математическая модель манипулятора УПР. Она соответствует номинальной модели манипулятора, размещенной в СУР. В случае выбора неадекватной модели потребуется дополнительное оборудование, использующее специальный алгоритм коррекции совместно с СУР, что не всегда возможно в связи с закрытостью программного обеспечения УПР у подавляющего большинства фирм - производителей УПР.
Один из методов проверки параметров калибровки описан в работе [80] и основан на использовании двух концентрических цилиндров с массивом отверстий на их поверхности. Данный метод предполагает вставку ориентированного инструмента робота в два отверстия (в обоих цилиндрах) с труднореализуемой идентификацией оси между двумя центрами и поддержанием линейности части инструмента, вставляемой по направлению вдоль этих осей (см. рис.4.4).
Существенным недостатком оптических методов измерения является более высокая стоимость реализующих их технических средств, чем в других рассмотренных ранее методах, а также потребность в сложном прецизионном и высококачественном оборудовании. 1 - манипулятор; 2 - рабочий орган манипулятора; 3, 4, 5 - видеокамеры; 6, 7, 8 - ориентиры (светоизлучающие или нанесенные краской); Хб, Y6, Z6 - базовая система координат; Хк1, YKI , Хк2, Ук2, ХкЗ , УкЗ - системы координат видеокамер; Хр , Yp , Zp - система координат, связанная с последним звеном робота.
В процессе диагностики сложных механических систем, таких как, например, турбомашины, газотурбинные двигатели, манипуляторы универсальных промышленных роботов и т.п., вследствие сложности самих объектов, режимов их функционирования и большого числа взаимовлияющих факторов возникает проблема постановки измерительного эксперимента, обеспечивающего воспроизводимость и достоверность получаемых результатов. Проблема осложняется тем, что сходные значения тех или иных параметров, характеризующих состояния и режимы таких объектов, могут быть получены при различных условиях эксперимента. При этом сами режимы и состояния диагностируемого объекта формируют комплекс условий, оказывающих непосредственное влияние на диагностические параметры.
Примером может служить задача определения газодинамических параметров лопаточных и турбомашин, в которой для воспроизводимости результатов на диагностируемый объект оказывается управляющее воздействие, приводящее к стабилизации режима и соответствующей компенсации его влияния на получаемый результат [54].
В рамках данной работы ставится задача определения контроля параметров калибровки шестизвенного манипулятора универсального промышленного робота, целью и результатом которого является минимизация погрешностей воспроизведения запрограммированных контурных траекторий характеристической точки, расположенной на РО манипулятора, инвариантных относительно положений звеньев манипулятора [35]. Приведенные примеры объединены характерной особенностью в организации процедуры измерений, которая кроме совокупности измерительных операций включает в себя оказание специальных управляющих воздействий на объект измерения. И в одном, и в другом случае совмещение измерения с управлением создает комплекс условий, существенно повышающих качество получаемой информации. Опираясь на приведенные аргументы и проводя аналогию с теорией планирования эксперимента, такого рода измерения назовем активными, а метод измерения - методом активных измерений.
Из теории планирования эксперимента известно [63], что в процессе диагностики объекта каждый результат может быть получен при различном комплексе условий . Свяжем множество 0 с : ( ) где єЕ, Е - множество управляющих воздействий на объект. Если множество И не пустое, а качество измерительной информации, например, погрешности, информативность, достоверность и т.д., зависит от , то выполнение условия ( ) является признаком активных измерений.
Необходимые условия реализации метода активных измерений: - наличие контролируемых параметров; - наличие специальных управляющих воздействий на объекты измерения; - возможности осуществления в процессе управления измерительных процедур.
В большинстве случаев без реализации таких измерений невозможно построение диагностических комплексов сложных механических систем. 4.3.2 Метод активных измерений при измерительном контроле параметров калибровки шестизвенных манипуляторов универсальных промышленных роботов
Рассмотрим реализацию метода применительно к задаче измерительного контроля параметров калибровки универсальных промышленных роботов, построенных на базе шестизвенных шарнирных манипуляторов.
Метод активного измерительного контроля заключается в измерении отклонений координат характеристической точки РО и одновременном управлении роботом по рабочей программе, обеспечивающей инвариантность характеристической точки относительно положения робота. Метод предложенного измерительного контроля основан на том факте, что при правильном решении прямой и обратной задачи кинематики проверяемого реального робота (первый раздел), выполнение им перемещений, обусловленных только изменениями углов Эйлера А, В,С, не приводит к изменениям декартовых координат Х,Т, Z характеристической точки рабочего органа (TCP) (рис.4.5).
Поэтому в процессе реализации метода в соответствии с выбранным алгоритмом осуществляют перемещения звеньев шарнирного манипулятора УПР, приводящие к изменению углов Эйлера, и осуществляют процедуру измерительного контроля положения характеристической точки закрепленного на инструментальном фланце последнего звена робота специального калибровочного инструмента в декартовых координатах X,Y,Z, инвариантного относительно изменения в пространстве самого положения калибровочного инструмента.
