Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Требования к космическим манипуляторам : 16
1.1 Общее описание типовых операций 16
1.2 Схемы выполняемых движений 23
1.3. Разбиение операций роботов на технологические операции 30
1.4. Операции и требования к программному обеспечению 36
1.5 Применение сенсоров при выполнении технологических операций 38
1.5.1 Лазерные дальномеры 43
1.5.2 Инфракрасные параллактические (базовые) дальномеры 44
1.5.3 Тактильные датчики 44
1.5.4 Акселерометры в составе инерциальных систем 44
1.5.5 Видеосистемы СТЗ 44
1.5.6 Силомоментные сенсоры 45
1.6 Пример использования сенсорики 45
1.6.1 Перемещение к замку люка 48
1.6.2 Открытие замка люка 48
1.6.3 Извлечение ПГиз грузовой камеры 48
1.6.4 Перенос полезного груза к месту стыковки 49
1.6.5 Загрузка ПГ в грузовую камеру 49
1.7 Постановка задач исследования 50
1.8 Выводы по главе 1 52
Глава 2. Механика: геометрия и кинематика 54
2.1 Расчет кинематической схемы 54
2.1.1 Системы координат механизма манипулятора робота 54
2.1.2 Прямая задача кинематики 56
2.1.3 Обратная задача кинематики 56
2.1.3.1 Аналитическое решение обратной задачи кинематики 57
2.1.3.2 Геометрический метод решения обратной задачи кинематики 62
2.1.4 Различные виды управлений, использующих решения задач кинематики 68
2.2 Вычисление коэффициентов уравнений динамики манипуляционного робота 72
2.2.1 Описание исполнительного механизма робота 73
2.2.2 Формирование уравнений динамики механической системы 73
2.3 Расчет моментов 75
2.3.1 Методы вычислений 75
2.3.2 Применяемые математические формулы 77
2.3.3 Примеры типовых движений 78
2.3.3.1 Движение перехода из транспортного положения в рабочее (вертикальное).. 78
2.3.3.2 Движение из рабочего положения в обзорное для вертикали 81
2.3.3.3 Движение из рабочего положения в предстыковочное 84
2.3.3.4. Движение из предстыковочного в рабочее положение: 87
2.4 Выводы по главе 2 90
Глава 3. Алгоритмы программного обеспечения 93
3.1 Построение траекторий в свободной и несвободной среде 93
3.2 Алгоритмы отработки траекторий с учетом динамики манипулятора 96
3.3 Учет упругих свойств 97
3.4 Алгоритмы системы технического зрения (СТЗ) 98
3.5 Описания некоторых технологических операций космического манипулятора .. 102
3.5.1 Движение с СТЗ 102
3.5.2 Локальный обзор 103
3.5.3 Калибровка СТЗ 104
3.5.3.1 Калибровка при использовании кондуктора 105
3.5.3.2 Калибровка при использовании зеркала 107
3.6 Описание программной реализации 111
3.6.1 Описание управляющей части 112
3.6.1.1. Классы связи и инициализации 112
3.6.1.2. Дополнительные служебные классы 113
3.6.1.3. Ввод информации 114
3.6.1.4. Входной поток 115
3.6.1.5. Вывод информации 115
3.6.1.6. Выходной поток 116
3.6.1.7. Классы управления 116
3.6.1.8. Класс общего функционирования 118
3.6.1.9. Регистрация классов в системе 118
3.6.2. Описание общего функционирования системы 119
3.6.3. Описание моделирующей части ПО 122
3.6.3.1. Ввод информации 123
3.6.3.2. Входной поток 123
3.6.3.3. Вывод информации 123
3.6.3.4. Выходной поток 123
3.6.3.5. Класс управления 124
3.6.3.6. Класс общей отработки 124
3.6.4. Описание функционирования модели 125
3.7 Выводы по главе 3 126
Глава 4. Реализация системы управления космическим роботом Dores 128
4.1 Общие схемы управления исполнительными механизмами 128
4.2 Характеристики основных элементов 135
4.2 Характеристики основных элементов 136
4.3 Сведения об испытаниях робота Dores 139
4.4 Выводы по главе 4 142
5. Заключение 144
Публикации автора по теме диссертации 146
1. Использованная литература
- Разбиение операций роботов на технологические операции
- Системы координат механизма манипулятора робота
- Описания некоторых технологических операций космического манипулятора
- Сведения об испытаниях робота Dores
Введение к работе
1. Актуальность темы диссертации
В настоящее время в робототехнике одно из наиболее актуальных и
перспективных направлений - разработка робототехнических систем (РТС),
предназначенных для обслуживания космических объектов, в первую
очередь роботизированных комплексов (РТК) для обслуживания
крупногабаритных орбитальных станций. Начиная с семидесятых годов XX
века работы по созданию РТС космического назначения в СССР, а затем в
России проводились в таких организациях Москвы и Ленинграда (Санкт-
Петербурга), как МВТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК, ИПМ им. Келдыша,
ВНИИТРАНСМАШ, ЦНИИМАШ и др. Из публикаций на указанную
тематику в первую очередь следует отметить монографии и статьи таких
ведущих ученых, как Е.И.Юревич, М.Б.Игнатьев, А.В.Тимофеев,
Ф.М.Кулаков, А.С. Ющенко. Актуальные задачи космической робототехники, начиная с восьмидесятых годов, регулярно обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах. ЦНИ РТК в течение многих лет является ведущим центром по обмену опытом в рассматриваемой области и по координации исследований по некоторым направлениям. Начиная с 1990 года в ЦНИИ РТК ежегодно проводятся всероссийская научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника", в программе которой тематика, связанная с освоением космоса, занимает значительное место.
Коллективом ЦНИИ РТК также внесен значительный вклад в космическую робототехнику, выполнена целая серия опытно-конструкторских работ. В первую очередь следует упомянуть доведенную до экспериментального образца разработку уникального большого манипулятора для космического корабля "Буран". Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию РТС космического назначения, в которых принимал участие автор, выполнялись и выполняются в ЦНИИ РТК с 1975 года по настоящее время согласно Постановлениям Правительства СССР и РФ и по договорам с Российским авиационно-космическим Агентством, РКК "Энергия", Европейским
Космическим Агентством, Космическим Агентством КНР и другими мощными специализированными организациями.
В 1999-2004 годы в ЦНИИ РТК была создана манипуляционная РТС "Dores", в научно-исследовательских разработках которой и в проектировании программного обеспечения принимал участие автор данной диссертации.
Данная диссертация, материал которой является результатом научного обобщения прикладных исследований, выполненных в процессе проектирования указанных РТС, посвящена разработке предметно-ориентированного языка для многоцелевых космических РТС на основе систематизации технических требований к подлежащих выполнению технологическим и вспомогательным операциям. Анализ, показал, что многообразие функций и операций с использованием космических РТС требует применения многоцелевых манипуляционных многостепенных систем.
В соответствии со спецификой требований, которые предъявляются к космическим РТС, автором обосновано разделение транспортных и манипуляционных задач по двум типам:
выполнение операций и осуществление обычно достаточно простых движений в больших объемах, на больших расстояниях и с крупногабаритными грузами при относительно невысоких точностях перемещения (такие работы, чаще всего, требуются при внекорабельной деятельности РТС, например, при транспортировании контейнеров);
выполнение операций и осуществление движений в относительно малых объемах ("на рабочем месте") с малыми грузами и нагрузками, при требуемой высокой степени точности перемещения, позиционирования и отработки программных траекторий в условиях взаимодействия с широким спектром разнообразного обслуживаемого оборудования (подобные работы осуществляются либо внутри космического корабля, либо вне корабля для небольших монтажных и ремонтных работ, не требующих перемещений крупногабаритных грузов).
Разработанный в ЦНИИ РТК и доведенный до экспериментального образца специализированный космический манипулятор "Dores", который предназначается для выполнения операций второго типа, способен выполнять широкий спектр сложных операций, таких, как
открытие/закрытие крышек люков, извлечение/помещение полезного груза из/в шлюзовой камеры, перемещение груза из одной точки крепления в другую, операции по обработке поверхностей и нанесения покрытий, информационно-измерительные операции, связанные со слежением (посредством встроенной системы технического зрения) как за летящими объектами (с целью их захвата), так и за техническим состоянием узлов и конструкций космической станции.
В условиях интенсификации использования космических станций для обеспечения условий выполнения широкого круга работ внутри отсеков и на внешней поверхности особую роль приобретает создание и использование РТС, оснащенных системами супервизорного управления с элементами адаптации и искусственного интеллекта. Характерными чертами таких РТС в будущем должны стать свойства автономности, мобильности, возможности осуществлять функции понимания, интерпретации и обработки информации, на высоких уровнях производить логические выводы и принимать решения. Необходимо учитывать, что как требуемая степень автономности при решении различных задач, так и неупорядоченность окружающей среды, для условий космоса будет неуклонно возрастать.
Обычная система управления (СУ) РТС, в соответствии с общими принципами теории автоматического управления и традициями в этой области может содержать децентрализованные подсистемы управления приводами каждой степенью подвижности с тремя контурами обратных связей (токовой, скоростной, позиционной) с соответствующими датчиками.
Для решения более сложных задач и реализации адаптивного управления помимо обычных датчиков обратных связей необходимы следующие внешние сенсоры и сенсорные системы: многокомпонентный силомоментный датчик, установленный в запястье рабочего органа; тактильные датчики; система технического зрения (СТЗ).
В ходе выполнения совместно с сотрудниками ЦНИИ РТК работ по расчету и проектированию специализированных космических РТС, перед автором данной диссертации в первую очередь были поставлены базовые задачи, непосредственно связанные с синтезом систем, законов и программ управления роботом при выполнении номинальных (штатных) операций. При этом наличие у робота адаптивных и интеллектуальных свойств позволит значительно повысить эффективность, надежность и качество
7 выполнения этих операций и расширит его возможности для других заданий при изменяющихся условиях. Поэтому задачи разработки приближенных методов анализа динамики роботов при ориентации на оперативное получение результатов с возможностью простого оценивания влияния различных факторов и требований нормирования являются актуальными. Перспективами расширения функциональных возможностей космических РТК определяется актуальность темы диссертации и расстановка в ней акцентов.
В данной работе поставлено целью разработать научные основы проектирования систем управления многоцелевых РТС космического назначения, предназначенных для выполнения на борту космической станции комплекса манипуляционных задач в режимах автоматического и супервизорного управления со свойствами адаптивности и искусственного интеллекта.
Для достижения формулированной цели в рамках настоящей работы решены следующие основные задачи адаптивного и интеллектуального управления:
разработать новый, эффективный способ создания унифицированного программного обеспечения РТС космического назначения;
проработать новый метод планирования движений манипулятора, опирающийся на базовый класс примитивов действий роботов в виде типовых или элементарных операций различного типа;
сформулировать и формализовать задачи управления на уровне установления целей и выработки заданий по поиску объектов и манипулированию с объектами с помощью системы технического зрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
кинематические и динамические математические модели типового механизма космического манипулятора с приводами;
методы построения сложных и комбинированных движений робота при выполнении типовых технологических и вспомогательных операций, набранных из элементарных примитивов;
принцип построения унифицированного программного обеспечения для управления манипуляторами;
- реализация указанного принципа в программном обеспечении
космической РТС.
2. Методы исследований.
При построении математических моделей и при решении задач геометрии, кинематики и динамики манипуляторов использовались методы теоретической и аналитической механики, теории механизмов. При обосновании предлагаемого метода составления программ движения для многоцелевых космических РТС используются методы декомпозиции, анализа и синтеза поставленных задач. При проведении на компьютере численных расчетов использовались универсальные программы Mathcad и Mathlab, а для выполнения сложных аналитических преобразований система Mathematica. Для моделирования движений самих манипуляторов использовался пакет моделирования ADAMS.
3. Научная новизна диссертации
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
предложен конструктивный путь построения упрощенной универсальной математической модели манипуляционной космической РТС, приспособленной для программирования движений и исследования задач кинематики и динамики;
- разработан новый способ оценки максимальных значений моментов в
шарнирах при типовых движениях манипулятора, который позволяет
унифицировано и эффективно проводить необходимые вычисления;
общие методы аналитического решения обратных задач позиционирования и управления по скорости доработаны для типовых кинематических схем манипуляторов РТС;
сформулированы и обоснованы способы формирования программных траекторий движения манипулятора;
предложен и обоснован новый подход к юстировке СТЗ на основе разбиения на элементарные операции.
4. Апробация работы и публикации.
Основные положения работы докладывались на международных научно-технических конференциях "Экстремальная робототехника" в ЦНИИ РТК, а также на международных конференциях «Интеллектуальные и многопроцессорные системы - 2003» (Геленджик, Россия), «MECHROB-2004» (Аахен, Германия) и «ISIE'2005» (Дубровник, Хорватия). Основное содержание диссертации отражено в семи публикациях.
5. Практическая ценность работы.
Практическая ценность заключается в том, что в ней для космического манипулятора предложены и обоснованы конструктивные подходы к декомпозиции любого вида сложных операций на элементарные (атомарные) операции, что позволяет единообразно программировать разнообразные движения и достаточно просто формировать в устройствах управления последовательность этих атомарных операций для всех возможных действий манипулятора.
6. Содержание работы.
Во Ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор диссертации по главам.
В первой главе сначала дается краткий анализ современного состояния космической робототехники. Далее на двух уровнях группируются и классифицируются типовые задачи, которые должен решать проектируемый манипуляционный робот на космической станции.
1. Сборочные работы (монтаж и сборка конструкций и их фрагментов; замена и ремонт модульных блоков отказавшего оборудования; сборка-разборка объекта по программе сборки; ремонт, обслуживание и обеспечение правильности функционирования летающих объектов; перемещение предметов на орбите к летающему объекту и его обзор; определение выхода из строя устройства на объекте; сближение и захват летающего объекта; прекращение аварийного вращения объекта; обслуживание, заправка, ремонт; установка, укладка или запуск).
Специальные задачи технологии материалов, включая работу с особыми веществами (изготовление монокристаллов и электронных микросхем; сборка микросхем в вакууме; выращивание кристаллов; получение сплавов; манипулирование опасными для здоровья веществами; производство особых фармацевтических препаратов).
Обслуживание грузового отсека, в том числе помещенных в нем спутников и средств для перемещения космонавтов в открытом космосе; смена блоков и приборов, кассет регистрирующих приборов; загрузка в бункеры; замена отдельных узлов; смазка узлов; перезарядка и дозаправка топливом спутников или самого корабля; исправление формы и замена поврежденных антенн; обработка поверхностей изделий; различного рода очистка, уборка; механообработка: резка, сверление, шлифовка; установка и затягивание винтов, болтов и гаек, клепка; осмотр рабочей зоны и доступного для обзора окружающего пространства; инспекция и контроль, в первую очередь, неразрушающий; диагностика и анализ неисправностей элементов отсека; калибровка средств измерений и контроля; техническое обслуживание и ремонт роботом самого себя.
Элементарные операции сопряжения (вставка штепселей в отверстия; соединение разъемов электрических контактов; закручивание винтов; навешивание дверей на петли; стыковка-отстыковка специальных соединений трубопроводных магистралей и кабелей таких объектов, как радиаторы, гироскопические системы, солнечные батареи, люки шлюзовых камер, и т.д.; стыковка с орбитальным транспортным средством; захватывание и удержание объекта универсальным захватом; захватывание и удержание подвижного объекта при относительном движении; захватывание и удержание подвижным роботом неподвижного или подвижного объекта.
Перечисленные и многие другие операции могут быть представлены как последовательность элементарных технологических операций - фреймов действий роботов, которые далее будут являться основой для построения соответствующих модулей программного обеспечения, которые будут называться технологическими операциями (ТОП).
Вторая глава посвящена построению математической модели и расчетному исследованию конкретного космического шестистепенного манипулятора. Робот «Dores», спроектирован и изготовлен в экспериментальном экземпляре в ЦНИИ РТК в 1999-2001 годах, его
манипулятор представляет собой шестизвенный (шестистепенной) механизм с разомкнутой кинематической цепью, с тремя переносными степенями подвижности и с тремя ориентирующими. Он предназначен для частичной замены космонавтов во внекорабельной деятельности. Общий вид манипулятора представлен на рис. 1.
I - шарнир рыскания плеча; 2 - шарнир тангажа ппеча№ 3 - плечевое звено, 4- шарнир локтя,
5- шарнир тангажа кисти; 6 - шарнир рыскания кисти, 7- звено локтя, 8- шарнир крена кисти,
9- контроллер захваного устройства; 10- специализированное захватное устройство;
II -универсальное захватное устройство; 12 -телевизионная камера; 13- прожектора;
14 - плита основания.
Рис. 1 Общий вид манипулятора Dores Кинематическая схема этого манипулятора в произвольном положении с системами координат, связанными со звеньями, показана на рис. 2. Все кинематические пары - вращательные (плоские шарниры), приводы -встроенные в шарниры, электромеханические, механизмы передач -волновые редукторы. Протяженные участки звеньев манипулятора образованы замкнутыми профилями и имеют высокую жесткость. Рабочие
органы манипулятора - сменные, предусмотрен магазин рабочих органов, наполнение которого может пополняться различными инструментами.
Рис. 2 Кинематическая схема и системы координат манипулятора «Dores»
Результаты исследований, приведенные в данной главе, в которой использован и доработан применительно к механизмам многозвенных манипуляторов один из самых удобных способов построения систем координат звеньев по методу Денавита-Хартенберга, доказывают его перспективность. При использовании указанного формализма Денавита-Хартенберга, производится построение матричного уравнения, связывающего углы в шарнирах с требуемыми координатами рабочего органа.
Этот способ позволяет не только четко формализовать задание систем координат, но и единообразно задавать матрицы преобразования из системы координат, связанной с каждым предыдущим звеном, в систему координат последующего звена. Такой метод используется для описания геометрии и кинематики манипуляционного робота (прямая и обратная задачи
13 кинематики) и применяется при составлении динамических уравнений, а затем для решения прямой и обратной задач динамики. Практическая польза метода заключается в том, что процедура составления формул для решения прямых кинематической и динамической задач полностью формализована и возможен высокий уровень автоматизации составления общей математической модели.
Автором проработаны два метода решения построения геометрической модели манипулятора и решения обратной кинематической задачи. Первый метод - метод аналитического решения обратной задачи (при этом решения являются неоднозначными). Аналитический метод позволяет найти сразу все возможные решения, которые дают возможность осуществлять выбор максимально подходящего в конкретной ситуации и позволяют минимизировать не только время вычисления, но и сложность алгоритма. В свою очередь, уменьшение сложности алгоритма позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку и отладку алгоритма, и, как следствие, снизить себестоимость программного обеспечения.
В качестве наиболее перспективных, в максимальной степени соответствующих требованиям эргономики, автором проработаны такие алгоритмы ручного управления движением манипулятора по траекториям от задающих рукояток, при которых используются решения обратной задачи кинематики. Эти алгоритмы реализуют позиционно-скоростные законы управления. Перемещения задающих рукояток интерпретируются как задание модуля скорости, направление отклонения интерпретируется как задание направления движения.
Рассмотрены процедуры вычисления коэффициентов уравнения динамики робота-манипулятора. Для этого используются матричные уравнения динамики в форме Лагранжа. Такие уравнения имеют удобную форму как для моделирования, так и для синтеза управлений, так как позволяют получить матрицу инерции механической системы в явном виде. На основе разработанной автором общей методики анализа динамики манипуляторов с разомкнутыми кинематическими цепями выполнен анализ экспериментального образца космического робота "Dores ". Для определения параметров приводов шарниров получены общие выражения для моментов, которые возникают в шарнирах при выполнении набора типовых движениях робота при действии внешних сил, и проведено их исследование по
14 результатам численных расчетов. Исследования доведены до конкретных, подробно обоснованных рекомендаций по изменению параметров приводов, реализованных в рассматриваемом экспериментальном образце. Эти рекомендации основаны на следующих фактах.
В третьей главе приведены некоторые алгоритмы, используемые в подсистемах космического робота "Dores". Во-первых, описаны алгоритмы построения программных траекторий движения манипулятора с учетом нескольких ситуаций:
Алгоритмы построения траекторий при движении в свободной среде и при наличии препятствий.
Алгоритмы отработки траекторных измерений с учетом динамики манипулятора.
Алгоритмы управления движением с учетом упругости манипулятора.
Далее описаны алгоритмы СТЗ, которая выполняет следующие основные функции:
выделение и опознавание идентификационных графических примитивов выделенных объектов;
определение координат целевых точек реперного типа;
использование в системе безопасности движения для контроля отсутствия угрозы столкновения;
модификацию модели мира, при появлении новых визуальных элементов в рабочей зоне робота;
привязка подвижного технологического модуля (ТМ) к модели мира;
оценка положения звеньев ТМ в случае значительного упругого прогиба для введения коррекции на величину прогиба;
использование в системе технической диагностики в качестве внешнего дополнительного датчика.
Показано, каким образом СТЗ принципиально позволяет реализовать:
адаптивную систему юстировки;
возможность работы с частично неисправным роботом (например, при отказе некоторых датчиков углов поворота в шарнирах);
визуальный контроль работоспособности и определение неисправностей и
опасных ситуаций.
Далее подробно описываются некоторые технологические операции космического манипулятора:
Движение с СТЗ. Этот режим требуется для контроля за окружающей обстановкой: определение неизвестных препятствий, контроль рабочего органа манипулятора и проведение сборочно-разборочных операций.
Локальный обзор. Эта технологическая операция с использованием СТЗ необходима для контроля, диагностики и замены элементов, устройств и конструкций космических объектов.
Калибровка СТЗ. Рассмотрены два способа калибровки: общеупотребительный с использованием кондуктора и оригинальный, разработанный автором способ, в котором используется зеркало.
Во второй половине третьей главы подробно описана программная
реализация системы управления. Главная задача, решенная здесь, это способ
построения унифицированного ПО, которое быстро может быть
переналажено на выполнение дополнительных операций и/или на управление
другим робототехническим средством. Надо отметить, что это ПО, однажды
реализованное, на сегодняшний день управляет не только манипулятором
"Dores", но и другими РТС: манипулятором мобильного комплекса
«Берлога-Р», космическим манипулятором «Аист», мобильной
робототехнической платформой.
Главная идея подобного построения ПО заключается в разделении потока ввода информации от датчиков, потока вычисления управления, и потока вывода управления на привода. Построена четкая и прозрачная иерархия классов (объектов) и каналы обмена информацией между ними. Перенастройка ПО на другую РТС занимает порядка одного - двух часов рабочего времени.
В четвертой главе описана аппаратная реализация манипулятора. Приведены технические характеристики приводов и их структурные схемы. В заключение главы описан разработанный автором способ испытания на точность с помощью измерительных приборов.
Выводы сформулированы отдельно по главам, в концентрированном виде они представлены в Заключении.
Разбиение операций роботов на технологические операции
Прежде всего укажем на некоторые процедуры, которые носят всеобщий характер и выполняются в каждой ТОП.
Во-первых, в начале каждой ТОП осуществляется контроль корректности условий ее запуска: геометрических, механических, электронных. Например, перед осуществлением установки груза необходимо убедиться, что место свободно. Проверка осуществляется как контролем соответствия тех или иных логических величин заданным в базе данных робота (например, логического сигнала с посадочного места в отсеке ОК -«свободен»), так и с привлечением оперативной информации от сенсорных систем (например, определение с помощью СТЗ того же факта свободного места размещения груза).
Во-вторых, при всех движениях робота функционирует построенная с привлечением всего набора сенсорных подсистем (СТЗ, датчики близости, тактильные, силомоментные, лазерный дальномер и пр.) система безопасности, гарантирующая отсутствие столкновений робота с элементами конструкции рабочего пространства и элементов механизма манипулятора друг с другом.
В-третьих, следует сказать о взаимоотношениях подсистемы ТОП и «языка программирования робота», на котором оператор формулирует задания роботу. Уровень ТОП должен быть достаточно детальным для придания системе максимальной гибкости. В то же время язык оператора должен быть более глобальным по своему функциональному наполнению и свободен, без необходимости, от излишней детализации. Один оператор языка - это, как правило, несколько ТОП, каждая со своим множеством параметров, часть из которых оперативна, т.е. сформирована непосредственно при данном обращении, а часть квазистационарна, т.е. претерпевает изменения с помощью специальной процедуры изменения, оформленной как такая же ТОП. При этом синтаксически операторы языка могут иметь одинаковые с некоторыми из ТОП названиями, но только дополненными специальным признаком оператора языка (например использовать большие буквы или отсутствие подчеркивания в качестве последнего символа имеющегося в названии ТОП).
В-четвертых, поскольку ТОП - это инструмент программиста, а не оператора, то их число, так же как и число их параметров может быть достаточно большим. Целесообразно иметь разные ТОП, одинаковые по своим внешним функциям, но разные по внутренним алгоритмам. В то же время для оператора робота, на уровне языка программирования робота задание действий связанных с этими ТОП может выглядеть одинаково.
В-пятых, РТС имеет несколько выделенных конфигураций размещения в пространстве, одно из которых, занимаемое им в пассивном состоянии между операциями назовем состоянием «Ожидание».
Перейдем к анализу представления операций с помощью ТОП (см. также табл.2.1, где в краткой форме представлены последовательности ТОП типичных операций).
Простейшая операция по выгрузке доставленного с земли и закрепленного на средстве доставки груза на орбитальный комплекс может заключаться в следующей последовательности действий. Поскольку в данном случае известны координаты, то прежде всего выполняется ТОП
MOVE («Движение») в точку над грузом - «точку предзахвата груза». В этом случае траектория строится с учетом заранее известной геометрической конфигурации рабочей зоны, и модули ПО сенсорных подсистем (СТЗ, датчики близости, касания, силомоментные) не используются непосредственно при построении траектории движения, а функционируют в режиме оперативного контроля от неизвестных препятствий. В случае появления такого неожиданного препятствия включается в работу другая ветка ПО, а оператору выдается предупредительная диагностическая информация.
После прихода в точку предзахвата работает ТОП TAKE («Захват») в автоматическом режиме. При этом в начале ТОП СТЗ осуществляет проверку нахождения объекта в точке захвата. После захвата работает операция LOAD-UP («Подъем груза») с проверкой в самом начале отсутствия фиксированного механического контакта между грузом и поверхностью. И далее ТОП MOVE_LOAD («Движение груза») с параметрами, обеспечивающими приход в точку над местом, куда должен быть перемещен груз. В заключении работает ТОП LOAD_DOWN («Установка груза») с на его новое место в отсеке, гермошлюзе, внутренней поверхности ОК, с предварительной проверкой готовности этого места (геометрической, механической и, если требуется, электронной). При этом ТОП выполняется под контролем сенсорных подсистем (СТЗ, датчиков близости, касания, силомоментных), сообщающих о нормальности (или аномальности) протекания операции.
Операцию обзора целесообразно оформить, как отдельную ТОП LOOK («Обзор») с параметрами в виде начальной точки, скорости движения, и кадра эталона правильного визуального образа осматриваемой рабочей области или (и) кадров искомых неисправностей. Внутри ТОП содержится запрограммированная кривая, по которой движется находящаяся на захвате робота телекамера. Если операция выполняется в автоматическом режиме, то анализ визуального кадра возложен на СТЗ, иначе - на оператора.
Системы координат механизма манипулятора робота
Робот «Dores», спроектирован и изготовлен в экспериментальном экземпляре в ЦНИИ РТК в 1999-2001 годах, его манипулятор представляет собой шестизвенный (шестистепенной) механизм с разомкнутой кинематической цепью, с тремя переносными степенями подвижности и с тремя ориентирующими. Он предназначен для частичной замены космонавтов во внекорабельной деятельности.
Исходя из кинематической схемы, системы координат выбраны так, как показано на рис. 2.1. Базовая система координат (БСК) выбрана следующим образом. Начало БСК находится в центре нулевого шарнира, на основании, ось х абсцисс сонаправлена с осью первого звена при угле поворота в нулевом шарнире равном нулю и при минимально возможном угле первого шарнира (т.е. робот имеет конфигурацию, вытянутую вертикально вверх). Ось у ординат направлена вертикально вверх, а ось z аппликат, соответственно — по правилу правой системы координат, в сторону отрицательных углов нулевого шарнира при наблюдении сверху.
Выбор систем координат и определение кинематических характеристик для каждого звена был выполнен исходя из формализма Денавита-Хартенберга [80, 22, 79 и др.]. Далее вводятся системы координат, жестко связанные со звеньями. 1. Выбор систем координат (СК) для і-того звена: а. Начало і-той СК выбирается в точке пересечения либо осей Zj и Zj+i, либо в точке пересечения Zj и общей нормали к этим двум осям; б. Ось Z; направлена вдоль оси і-того шарнира, для конца манипулятора (схвата) ось Z - вдоль оси предыдущего шарнира; в. Ось X проводится вдоль общей нормали к осям Zj и Zj+j; г. Ось Y определяется как в правой СК; 2. Определение параметров: а. Определение смещения звена — параметра dj — расстояние от начала і-той СК до точки пересечения осей X; и Zj+i в направлении оси Zj+i. б. Определение длины звена - параметра щ - расстояние от начала i+1 СК до точки пересечения осей X; и Zj+i в направлении оси Xj. в. Определения добавочного угла звена q; - угол, на который требуется повернуть ось Xj вокруг оси Z; до совпадения с осью Xj+i; г. Определение угла шарнира (Xj - угол, на который требуется ПОВернуТЬ ОСЬ Zj ВОКруГ ОСИ Xj ДО СОВПадеНИЯ С ОСЬЮ Zj+j. Матрица перехода от і+l шарнира к і-тому шарниру выглядит так: AV cos(q) -cos(ai)s m(q) sin(a/)sin( ) a/cos(g) sin(q) cos cosG?) -sin(a/)cos( ) a (q) 0 sin(a/) cos(a/) di 0 0 0 (2.1) 2.1.2 Прямая задача кинематики
Прямая задача кинематики (геометрии) заключается в определении параметров положения и угловой ориентации звеньев по заданным углам поворота в шарнирах манипулятора [17, 22, 79]. Координаты определяются в базовой системе координат.
Главная цель при решении прямой задачи кинематики — определять координаты конца последнего звена (схвата) в БСК. Решение прямой задачи кинематики осуществляется простой подстановкой текущих углов в шарнирах манипулятора в матрицы перехода и перемножения всех матриц: ТБСк = АБСКАОАІАЗАЗАЖ; (2.2) где ТБСК — искомые координаты в базовой системе координат; А, — матрица перехода из і+1 в і-тую систему координат; АБск - матрица перехода из нулевой в базовую систему координат. Получаемая в результате матрица имеет такие компоненты: h g f р 0 0 0 1 где вектор р - координаты XYZ конца схвата в БСК; f — косинусы ориентации оси последнего звена в БСК; g — косинусы поворота последнего звена по оси последнего шарнира.
При решении прямой задачи вычисляются координаты всех звеньев, а точнее, текущие матрицы переходов.
Обратная задача кинематики (геометрии) решается для вычисления обобщенных координат ( в нашем случае - углов в шарнирах ) по заданию координат и ориентации захватного устройства ( последнего звена ) манипулятора [17, 33, 22]. 2.1.3.1 Аналитическое решение обратной задачи кинематики
При аналитическом решении обратной задачи приходится сталкиваться со значительными трудностями. Первая трудность заключается в том, что при составлении уравнений происходит экспоненциальный рост сложности промежуточных формул с переходом от очередной степени подвижности к следующей. Вторая трудность заключается в сложности решения уравнений, содержащих такие выражения.
Для примера можно сказать, что при вычислениях угла первого шарнира (поворот колонны) в итоге записывается система из двух уравнений, каждое из которых имеет порядка сотни слагаемых, каждое слагаемое имеет в среднем несколько десятков множителей. Возможность решения таких задач вручную, не ошибившись, вызывает сомнения, поэтому, поставив цель решить эту задачу аналитически, автор применил систему символьных вычислений Mathematica 5.0. На решение был потрачен ориентировочно один рабочий день, причем время чистого счета (т.е. аналитических преобразований) составило приблизительно 3 часа.
Автором предложена конструктивная процедура, позволяющая получить важные результаты. При использовании описанного выше формализма Денавита-Хартенберга, производится построение матричного уравнения, связывающего углы в шарнирах с требуемыми координатами рабочего органа: АА\\АА=Р (23 где А І - матрица (4x4) перехода от і+1-ой системы координат к і-той, под 6 системой координат понимаем систему координат, связанную с захватным устройством; Р - матрица перехода из целевого положения последнего звена (захватного устройства) в базовую систему координат.
Описания некоторых технологических операций космического манипулятора
Для калибровки схват робота, на котором обычно находится телекамера, должен войти в контакт по определенным базам со специальным кондуктором, координаты схвата при этом становятся определимыми. Далее происходит запуск подпрограммы на выполнение алгоритмов распознавания маркеров, расположенных на кондукторе и определение необходимых для калибровки параметров СТЗ.
Следовательно, алгоритм технологической операции выполняется по этапам так. Во-первых, осуществляется выход манипулятора в некоторую промежуточную точку, из которой удобно двигаться в кондуктор. Промежуточная точка необходима по причине того, что, вообще говоря, в момент, когда потребовалась калибровка, манипулятор может находиться в любом положении. Для гарантии того, что манипулятор точно попадет в кондуктор, необходимо привести его в заранее известное промежуточное положение, из которого довольно просто выполнить стыковку с кондуктором.
Во-вторых, происходит движение в кондуктор. Когда манипулятор пришел в соприкосновение с кондуктором, запускается операция зажима (захватывания) стыковочного узла кондуктора. По завершении операции захватывания начинают работать алгоритмы калибровки СТЗ. Далее, по завершении операции калибровки, происходит выход опять в ту же промежуточную точку и, после этого, осуществляется возврат на выполнение прерванной калибровкой операции.
Этот способ, разработанный автором [А6], заключается в определении на самом захватном устройстве характерных точек, или в установке специальных маркеров, геометрия которых известна. Плоское зеркало устанавливается так, чтобы отражения в зеркале этих характерных точек (маркеров) были видны телекамере. Требуется подчеркнуть, что это единственное условие, налагаемое на установку зеркала. Затем производится вычисление координат маркеров на захватном устройстве в системе координат телекамеры по тому изображению, что видит телекамера. Зная априори положения всех маркеров в системе координат захватного устройства и вычислив их координаты с помощью зеркала в системе координат телекамеры, вычисляется искомая матрица перехода от захватного устройства к телекамере.
Получим необходимые аналитические соотношения для этого метода. Пусть на захватном устройстве имеются три маркера, не лежащие на одной прямой. Известны расстояния между ними и расстояния от них до телекамеры. Эти параметры можно определить с достаточной точностью. Для пояснения рассмотрим рис. 3.7.
На рис. 3.6 маркеры обозначены буквами а, Ь, и с, а их отражения символами а , Ъ и с . Начало координат телекамеры обозначено буквой d. Считаем, что начало координат телекамеры совпадает с оптическим центром объектива.
Задача определения координат маркеров посредством телекамеры считается решенной. Поэтому координаты отражений маркеров в системе координат телекамеры считаются заранее известными. Введем обозначения: a = da; b=db; c-dc\ a =da \ b1-db \ с1 =dc \ a2=a2; b2=j32; c2=y2\ Для определенности подчеркнем, что модули (длины) векторов а, b и С известны. Неизвестными, искомыми, являются сами эти вектора, т.е. параметры их угловой ориентации. Введем оператор отражения: Р(х) = х-2& Я + 2й, (3.1) п где X - отражаемый вектор, П - вектор нормали зеркала. Уравнение плоскости зеркала предполагается заданным в следующей форме (х, УІ) — П. Вектор нормали к плоскости зеркала определяется далее в результате вычислений. Оператор Р (3.1) является взаимообратным и можно записать: d = P(d/); b=P(b/); с=Р(с/); После возведения в квадрат и упрощения последних формул получаем: (2n-a/)2 = a2; (2п-Ъ )2 = р2 , (3.2) (2n—c/)2 = y2; Вводя fh = In — а , запишем уравнения (3.2) следующим образом: т2 -а2\ {т-Ъху=Р2\ (3.3) (w-c1)2= 2, где Ъх=Ъ1-а!\ с1 = с -а1. 0 11 2 2 2 Величины В = (тА) = а +Ь\ Р и С = (т,с.) = - +С] Г 1 2 2 позволяют ввести дополнительные векторы: q = Cbl-Bc{; р = Ъххсх; (3.4) f = pxq. Далее, можно разложить по этим трем ортогональным векторам вектор ІП: т- juxp + ju2q + jU3f (3.5) Вычислим значения коэффициентов: Мї=(т,р)/р2; ju2 = (m,q)/q2; /л3=(т,г)/г2. Замети сразу, что jU — 0. Далее покажем, что jU =l/p. Чтобы убедиться в этом, выполним преобразования: fhxblxcl =bxim -cx{m b )-b - cxB-q (3.6) Имея в виду (3.4), где p = hxc., подставим это в формулу (6) и получаем: mxp q. (3.7) Используя последнее выражение в группе формул (3.4), домножим обе части уравнения (3.7) на вектор р слева: рхтхр-г = тр2-р(р,т) = г. (3.8) Умножаем скалярно на вектор Y и получаем с учетом ортогональности векторов р и Т : (m,r)p2=r2. (3.9) В тоже время, домножением (3.5) скалярно на вектор Г , получим: (m,r) = /u3r2. (3.10) Сравнивая (3.9) и (3.10), убеждаемся, что //. —\lp . Далее, возводя составляющие вектора Ш (3.5) в квадрат (и учитывая, что второй коэффициент равен нулю), используя (3.3), получаем: 2 Г2 2л2 _2 „2 а2= Р2+мУ //2= - = -- -. (3.11) Р2 Р2 (РУ а Теперь, зная вектор 771, из (3.2) можно найти вектор нормали зеркала n (jn-\-a }/2.. Далее, используя оператор отражения Р (3.1), получаем требуемые координаты маркеров в системе координат зеркала по соотношениям а = Р(а1); b—Рф1); c=P(cf); Зная координаты маркеров в системе координат захватного устройства, как уже говорилось в начале этого раздела, можно определить координаты телекамеры в системе координат захватного устройства, выполнив обратное преобразование, которое выполняется стандартным образом.
Так как в данном подходе ориентация зеркала (т.е. ориентация вектора нормали зеркала) определяется, как промежуточный результат в вычислениях, то такой подход можно использовать не только для определения координат маркеров в СК телекамеры, но и для определения координат зеркала. Это может быть полезно для случая, когда и камера, и маркеры установлены стационарно, а на объекте наблюдения находится отражающая поверхность.
Заметим, что математически описанный метод обладает неустойчивостью при р" « 1. В частности, при р" — О метод становится неприменим. В этом случае можно воспользоваться формулой ТП — Тля — а с заменой а на Ъ или С . Подчеркнем, что одновременное выполнение условий приводит к тому, что маркеры лежат на одной прямой, что не соответствует исходным условиям задачи. Требует дальнейшего изучения возможность применения данного подхода в случае неплоской отражающей поверхности, используемой в качестве зеркала для уменьшения габаритов стенда и для ослабления ограничения , накладываемого на установку зеркала.
Сведения об испытаниях робота Dores
Испытания робота проводились по нескольким основным направлениям. Во-первых, проверялось качество повторяемости, определяемое разницей между несколькими разными операциями прихода в целевое положение. Здесь возможны два варианта. Первый - это определение повторяемости прихода в целевое положение из одной и той же начальной конфигурации. А второй, это приход в целевое положение из разных начальных конфигураций. Это испытание проводилось следующим образом. Манипулятор выводился в некоторое положение, устанавливался индикатор так (см. рис. 4.6), чтобы его щуп касался схвата манипулятора в известной точке. Далее манипулятор выводился в некоторое начальное положение (рис. 4.7) и отсюда он перемещался в целевое положение. Регистрировались показания индикатора. Эти измерения проводились для разных целевых и разных начальных конфигураций. Погрешность выхода в целевую точку для первого случая составила, в среднем, 0.05 мм, а для второго, в среднем, 0.1 -0.12 мм.
Во-вторых, точность прихода в заданное положение. Это испытание требует ответа на вопрос: каково качество отработки аппаратной части манипулятора? Поэтому, целевое положение вычисляется исходя из углов манипулятора, по ним вычисляются декартовы координаты. Затем на базовой плите основания (на которой закреплен манипулятор - см. рис. 4.1 № 14) и которая установлена с хорошей точностью в плоскости у=0, отмеряются требуемые координаты х и z, а у - от поверхности плиты вверх. Эти координаты измерить с точностью в сотые доли миллиметра, конечно же, не представляется возможным, поэтому на этапе изготовления плиты основания были фиксированы реперные точки, координаты которых (и им соответствующие углы манипулятора) заранее известны. Для реализации этого испытания было предложено поступить следующим образом. В зоне реперных точек крепятся индикаторы в известном положении (рис. 4.8).
Индикатор выставляется так, чтобы его щуп при индикации нуля был в координате, вычисленной заранее. Затем, из начального (не имеет значения какого) положения, манипулятор приводится в целевое положение (рис. 4.9). Было получено, что индикатор регистрировал погрешность, которая составила 0,9 —1.1 мм.
В-третьих, определялась точность отработки при движении по траектории. Для этого на захватном устройстве был установлен светодиодный лазер, на листе бумаги была нарисована окружность. Манипулятор выводился в такое положение, чтобы ЗУ было ориентировано вертикально вниз, под него подкладывался лист с окружностью, и запускалась технологическая операция «движение по окружности». Визуально определялось качество отработки. При этом получились такие результаты - при движении по окружности приблизительная точность составляла 3-5% от радиуса, с небольшими всплесками до 10-12% от радиуса. Эти всплески объясняются тем, что манипулятор проходит либо точку, в которой высока погрешность решения ОКЗ, либо при таком движении механически и конструкционно генерируется переменное усилие, которое резонирует с упругостью самого манипулятора, как с разомкнутой кинематической цепью.
1.Подробно описаны схемы управления как всем манипуляторов в целом, так и отдельным шарниром. Из представленного описания видно, что СУ являются современными и высоконадежными. Выбор элементов систем управления производился с учетом минимальности размеров и энергопотребления.
2. Основными элементами приводов являются вентильные двигатели и волновые редукторы. В качестве датчиков поворота использованы вращающиеся трансформаторы. Для разных шарниров применены два типоразмера приводов.
3. Проведено некоторое количество испытаний робота. Определение повторяемости прихода в точку показало неплохой результат - 0.05 - 0.12 мм. Определение погрешности отработки координат (углов) в шарнирах манипулятора также дало неплохой результат: пересчитанная в декартовы координаты погрешность составила не более 1.1 мм. Движение же по контуру отличается гораздо большей погрешностью. Визуально она составляет, в отдельных случаях, до 10% от радиуса.
Основные результаты, полученные в диссертации, формулируются следующим образом.
1. В области космических технологий имеется потребность в создании манипуляционных роботов, способных выполнять такие операции, как: перенос объекта из одного положения в другое, выполнение сборочно-разборочных операций, слежение за движущимися объектами и т.д. Все операции могут быть представлены как последовательность элементарных технологических операций - фреймов, которые приняты за основу модулей программного обеспечения, причем, фреймы, в работе названные «технологическими операциями» (ТОП), также могут состоять из более мелких (атомарных) ТОПов. Иерархия фреймов позволяет задавать всевозможные операции для робототехнических систем.
2. Предложенный для использования и доработанный автором один из самых удобных способов построения систем координат звеньев по методу Денавита-Хартенберга дает возможность однообразно описывать кинематические схемы манипуляторов и проще находить подход к возможному аналитическому решению обратных кинематических задач. Здесь доработка заключается в том, что разные кинематические схемы манипуляторов параметризуются некотором двоичным числом, что позволяет более общо описывать разные модели манипуляторов.
