Кинематика и динамика электромехатронных систем в робототехнике


С. К. ЛЕБЕДЕВ, А. Р. КОЛГАНОВ









                КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ В РОБОТОТЕХНИКЕ




Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.865.8
ББК 32.816
     Л33



Научный редактор: доктор технических наук А. Б. Виноградов

Рецензент:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова» А. С. Сарваров





     Лебедев, С. К.
Л33       Кинематика и динамика электромехатронных систем в робото     технике : учебное пособие / С. К. Лебедев, А. Р. Колганов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 352 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0689-5

     Представлены основные теоретические аспекты построения кинематических схем роботов и манипуляторов, анализа их динамического поведения и синтеза систем управления. Предлагается использование метода однородных координат в качестве основного инструмента при формировании кинематических и динамических моделей роботов и манипуляторов.
     Для студентов и аспирантов электротехнических направлений подготовки. Может быть полезно специалистам в области электромехатронных систем в различных областях народного хозяйства.


УДК 621.865.8
ББК 32.816







ISBN 978-5-9729-0689-5

© Лебедев С. К., Колганов А. Р., 2021
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


     Материалы учебного пособия сформированы в соответствии с программой дисциплины «Управление движением промышленных манипуляторов», входящей в учебные планы очной и заочной подготовки бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод и автоматика». В Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И. Ленина (ИГЭУ) подготовка в рамках этой дисциплины ведется на электромеханическом факультете кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» (ЭП и АПУ). Дисциплина входит в вариативную часть учебных планов, и является дисциплиной по выбору.
     В июле 2020 года кафедре ЭП и АПУ исполнилось 90 лет. Все эти годы кафедра ведет успешную подготовку выпускников, которая традиционно нацелена на формирование компетенций в производственнотехнологической, проектно-конструкторской и исследовательской деятельности при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации систем электропривода и автоматики любой отрасли промышленности. При этом используются инновационные технологии обучения и контроля качества подготовки, основанные на интерактивной работе студентов на уникальном и типовом промышленном оборудовании в специализированных лабораториях кафедры. Студенты приобретают в процессе обучения навыки программирования и наладки промышленных контроллеров и электроприводов зарубежных и отечественных производителей. Все это делает выпускников кафедры востребованными на многих объектах - от «прохладной» сибирской нефтегазодобычи до «теплых» цехов тепловых и атомных станций.
     Данное учебное пособие отражает научные, учебные и методические материалы, обобщающие опыт авторов более чем за 20-летний период чтения лекций, проведения практических занятий, формирования лабораторных практикумов, курсового и дипломного проектирования, руководства выпускными квалификационными работами бакалавриата и магистратуры по тематике, связанной с робототехникой.
     За свою долгую и славную историю кафедра ЭП и АПУ не раз являлась новатором и «донором», формируя на своей основе новые направления и профили подготовки. Это и выпуск специалистов городского электрического транспорта, систем автоматизации проектирования, промышленной электроники, электротехнологии, и, в том числе, подготовка специалистов в области робототехники, которая планировалась в ИГЭУ в 90-е годы прошлого века в связи с развитием станкостроения в Ивановской области. Распад СССР и связанные с этим негативные тенденции в

3

КИНЕМАТИКАИДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХСИСТЕМ В РОБОТОТЕХНИКЕ

промышленности и высшей школе привели к тому, что вместо выпуска специалистов по робототехнике кафедра ЭП и АПУ, изменив учебные планы, вела подготовку части инженеров со специализацией по робототехнике. В настоящее время эта тематика представлена элективным компонентом учебного плана в качестве одной из двух дисциплин по выбору студента.
     Преподавание дисциплины ведется на 4-м, завершающем подготовку бакалавров, курсе (7-й и 8-й семестры). К этому времени студенты овладевают необходимыми компетенциями, изучая такие дисциплины, как «Теория автоматического управления», «Механика», «Прикладная механика», «Программные средства в математике и расчетах мехатронных систем», «Электрический привод». Параллельно с дисциплиной «Управление движением промышленных манипуляторов» студенты в те же семестры изучают дисциплины «Системы управления электроприводов», «Моделирование электропривода», дающие ряд необходимых компонентов знаний и навыков, особенно важных при разработке систем управления такими объектами, как промышленные манипуляторы.
     Цель преподавания дисциплины «Управление движением промышленных манипуляторов» - сделать бакалавра профиля «Электропривод и автоматика» способным участвовать в разработке, внедрении и эксплуатации элементов робототехники, промышленных манипуляторов, электро-мехатронных систем позиционирования в промышленности, энергетике, транспорте, военной и космической технике.
     Основными задачами, решение которых обеспечит достижение поставленной цели, являются задачи кинематического и динамического анализа механики промышленных манипуляторов, освоение алгоритмов синтеза и анализа систем позиционирования звеньев манипулятора, знакомство с основами промышленной робототехники, включая историю развития, аспекты технико-экономического анализа и классификацию промышленных роботов.
     Значительное внимание в учебном пособии уделяется как вопросам теоретического анализа характеристик динамических систем, включая классические временные и частотные характеристики, так и вопросам анализа характеристик и имитационного моделирования с использованием современных программных комплексов.
     Основы промышленной робототехники. Раздел посвящен экскурсу в историю развития промышленной робототехники. Здесь приводятся критерии и факторы, используемые при решении о внедрении робототехнических систем, как при разработке новых проектов, так и при модернизации оборудования в промышленности. Рассмотрение целого ряда классификаций робототехнических систем погружает читателя в многогранный и обширный мир промышленной робототехники, ненавязчиво знакомя с ос

4

ВВЕДЕНИЕ

новными видами промышленных роботов и их функциональными особенностями.
     Метод однородных координат в кинематике и динамике манипуляторов. В разделе рассмотрены вопросы теории и методики применения однородных координат для формирования математических моделей, обеспечивающих анализ и синтез промышленных манипуляторов различной конфигурации. При этом детально рассматриваются алгоритмы выполнения, как кинематического, так и динамического анализа. Форма полученных результатов анализа максимально способствует цели и задачам разработки систем управления движением манипуляторов.
     Функциональная структура системы управления движением манипулятора. В разделе на основе детального анализа двух примеров взаимодействия манипуляторов с технологическим оборудованием представлено формирование требований к системам управления движением манипуляторов. Сформулированы допущения при рассмотрении приводов шарниров и сформирована обобщенная структура системы управления движением, элементы которой ставят задачи при проведении кинематического и динамического анализа конкретного манипулятора.
     Кинематический анализ промышленных манипуляторов. На примере манипуляторов с вертикальной и горизонтальной цилиндрическими системами координат приводится с описанием каждого этапа получение кинематических моделей. Полученные результаты кинематического анализа подвергаются детальному анализу. Он проводится с использованием компьютерного моделирования для проверки уравнений связи и их решения перед использованием в системе управления движения для организации координатных преобразований сигналов.
     Динамический анализ промышленных манипуляторов. Раздел посвящен использованию уравнения Лагранжа при решении прямой задачи динамики для конкретного манипулятора с целью получения математической модели манипулятора как объекта управления. Для тех же вариантов манипуляторов, для которых выполнен кинематический анализ, подробно описано получение уравнений движения и формирование структуры моделей, обеспечивающих реализацию, как синтеза, так и анализа системы управления движением манипуляторов.
     Использование регуляторов положения в системах позиционирования звеньев манипуляторов. Рассматривается многообразие вариантов построения систем позиционирования на основе использования регуляторов положения. Предлагаются варианты структурно-параметрического синтеза, как статических систем управления, так и систем с астатизмом 1-го и 2-го порядка. Показана всесторонняя оценка при выборе модели динамики систем позиционирования для манипуляторов. Предлагается алгоритм настройки параметров регуляторов положения, обеспечивающий во

5

КИНЕМАТИКАИДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХСИСТЕМ В РОБОТОТЕХНИКЕ

всех вариантах реализацию преимуществ, которые дает использование настроек, соответствующих динамике Бесселя.
     Исследование систем позиционирования звеньев манипуляторов. В разделе описаны методики анализа и выбор вариантов систем позиционирования для звена манипулятора средствами компьютерного моделирования с имитаций силовых и параметрических воздействий, возникающих при работе манипулятора. Предлагается использовать фиксированную настройку регуляторов в условиях существенного изменения инерционности звеньев при изменении конфигурации манипулятора в процессе функционирования. Приведены Simulink- модели с пояснениями по их применению для исследования систем позиционирования.
     Компьютерное моделирование и исследование движения схвата манипулятора по заданной траектории. В разделе представлены Simulink-модели и детально описывается процесс компьютерных испытаний разработанных систем управления движением совместно с кинематическими и динамическими моделями манипуляторов. Материал раздела является основой для курсового проектирования и выполнения выпускных квалификационных работ по тематике, связанной с промышленной робототехникой.
     Для контроля качества усвоения материала в заключении каждого раздела содержится перечень вопросов и заданий для самоконтроля, выполнение которых должно стать, по нашему мнению, для читателя обязательным. Контрольные материалы особенно востребованы при заочной и дистанционной формах обучения.
     Авторы выражают искреннюю признательность руководству и коллективу кафедры ЭП и АПУ ИГЭУ за замечания, пожелания по развитию курса, а также за дружественную и творческую атмосферу, в которой происходила подготовка и обсуждение материалов учебника.
     Авторы выражают особую благодарность доктору технических наук, профессору А. Б. Виноградову за полезные советы и замечания по улучшению содержания книги в процессе научного редактирования.
     Авторы благодарны за внимательное, объективное рецензирование и ценные замечания и рекомендации доктору технических наук, профессору А. С. Сарварову (кафедра автоматизированного электропривода и ме-хатроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет» имени Г. И. Носова).
     Эта книга написана для будущих студентов, а многие выпускники увидят в ней и свои труды, и муки творчества их педагогов.

6

        ГЛАВА 1
        ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ

   1.1. РАЗВИТИЕ РОБОТОТЕХНИКИ

     Наряду с эволюционным развитием автоматизация промышленности претерпела ряд скачкообразных изменений [19,20]:
     - внедрение взаимозаменяемости в производстве;
     - появление сборочных конвейеров, поточных линий (заводы Форда, текстиль, УНРС и т.д.);
     - роботизация промышленности.
     Внедрение промышленных роботов - это воплощение современного этапа развития автоматизации производства.
     Кратко рассмотрим историю развития роботов. С древних времен людей увлекала мечта создать такую умную машину, которая бы действовала так же искусно, как и человек. Умельцы, используя хитроумные механизмы, создавали марионетки и заводные куклы. В умах фантастов зарождались роботы самого различного назначения. Предпосылки появления промышленной робототехники связаны и с бурным развитием науки и техники, связанным со 2-й мировой войной. В 40-е и 50-е годы интенсивно развивались механика, электроника, теория автоматического управления. В начале 60-х годов начались исследования, связанные с управлением механической рукой с помощью ЭВМ, исследования в области технического зрения.
     Интересный экскурс в историю развития роботов дает Джозеф Фредерик Энгельбергер (англ. Joseph Frederic Engelberger, 25.07.1925 -1.12.2015 г. г.) - американский инженер, изобретатель, один из основателей компании «Юнимейшн», вошедшей в «Вестингауз» [20]:
     1954 год; Джордж Чарльз Девол-младший (англ. George Charles Devol, Jr, 20.02.1912 - 11.04.2011 г. г.) подает заявку на первый патент по робототехнике (1961 год - получение патента);
     1956 год; Девол-младший и Энгельбергер (случайная встреча на коктейле) образуют фирму «Юнимейшн»; эффективность усилий специалистов фирмы «Юнимейшн» можно оценить по следующим цифрам: в те годы устройство ЧПУ для станков стоило 35 000 долларов, а специалисты «Юнимейшн» создали устройство управления роботом стоимостью 7 000 долларов (1959 год);
     1961 год; введен в эксплуатацию первый промышленный робот «Юнимейт» на литейных участках завода «Дженерал Моторс» в Нью-Джерси (США); некоторые из этих роботов отработали по 100 000 часов, то есть 50 человеко-лет работы;


7

КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ В РОБОТОТЕХНИКЕ

можно отнести следующие четыре (рис. 1.1):

     1970 год; создан промышленный робот с 6 степенями подвижности, но наиболее плодотворной оказалась для развития робототехники почва в Японии;
     1967 год; Энгельбергер делает доклад перед более чем 700 промышленниками и специалистами;
     1968 год; фирма «Кавасаки» (капитал около 3 миллиардов долларов) купила лицензию на всю технологию фирмы «Юнимейшн»;
     1971 год; образована первая в мире ассоциация по роботам JIRA в Японии из 48 фирм (в США - только в 1975 году появился Американский институт робототехники); в дальнейшем робототехника уже из Японии начинает проникать в США и другие страны мира;
     1982 год; фирма «Фанук» совместно с «Дженерал Моторс» начинает выпускать в США промышленные роботы. К робототехнике подключаются: «Дженерал Электрик», «Фольксваген», «Рено», «Сименс», «Фиат».
     К функциям, которыми должен обладать робот, в первую очередь,


        Внешняя
        среда

                  Робот


Оператор

Рис. 1.1. Функциональная структура промышленного робота

      - функция определения состояния внешней среды. Робот должен обладать искусственными органами чувств, позволяющими ему «видеть», «осязать», «чувствовать» силу, а также распознавать объекты;

8

Глава 1. ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ

     -  функция осмысления и принятия решения; она дает возможность планировать последовательность операций, необходимых для достижения цели, стоящей перед роботом;
     -  функция диалога; она обеспечивает эффективную связь человека с роботом, робота с другим оборудованием.
     С помощью комплексной реализации этих четырех функций можно создать промышленный робот.

   1.2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

     Можно говорить о преимуществах робота перед рабочим, оператором технологического оборудования.
     Но при внедрении роботов и манипуляторов полезнее считать, что преимущество имеет человек, достойный более осмысленной работы, чем та, которой могут заниматься роботы [20] (табл. 1.1).
          Т а б л и ц а 1.1 Характеристики промышленного робота и человека

№ Характеристика           Робот                   Человек        
                        0,1т1000 кг        < 30 кг, сильно зависит
1      Сила          полезной нагрузки        от типа движения,   
                                             направления и т. п.  
                                           2 л. с. в течение 10 с;
2    Мощность       Зависит от полезной      0,5 л. с. - 120 с;   
                         нагрузки                0,2 л. с. -      
                                            продолжительное время 
                                               Низкая, зависит    
                        Абсолютная              от физической     
3 Стабильность         в отсутствии           и психологической   
                         неполадок          усталости, необходим  
                                              внешний контроль    
                                                 результатов      
  Индивидуальные        Только если             До 100т150 %      
4    отличия           предусмотрены        отклонения от типовых 
                         проектом               характеристик     
                      Ожидаемый срок                              
5  Срок службы   службы - 40.000 часов (20                        
                  лет односменной работы)                         

9

КИНЕМАТИКАИДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАТРОННЫХСИСТЕМ В РОБОТОТЕХНИКЕ

     Факторы, определяющие области эффективного применения промышленных роботов:
     -  выполнение монотонных повторяющихся операций, для которых не требуется или требуется мало умственной энергии;
     -  очень утомительные и опасные работы (горячие цеха, опасная атмосфера и т. д.);
     -  работы, требующие от оператора высокой повторяемости при выполнении сложных повторяющихся операций;
     -  работы, требующие перемещения больших тяжестей, непосильных для человека или настолько утомительных, что человек не выдерживает целую смену.
     Приведем ряд примеров, где в одном производстве сочетаются сразу несколько факторов, указывающих на необходимость применения роботов:
     -  литейное производство (значительная масса отливок, повышенная температура, запыленность, загазованность, высокая повторяемость операций);
     -  сварочное производство (высокая повторяемость, точность, опасность, монотонность);
     -  окраска распылением (точность, повторяемость, опасная атмосфера);
     -  сборочное производство (большие тяжести, повторяемость);
     -  технический контроль (точность, повторяемость, объективность).
     В решении вопроса о применении роботов возможны три случая:
     -  задание должно выполняться человеком, так как оно не может быть выполнено ни одной из существующих моделей из-за его высокой сложности;
     -  задание должно выполняться только роботом по соображениям безопасности, ограниченности рабочего пространства или особых требований к точности;
     -  робот может заменить человека при выполнении задания.
     Рассмотрим подходы к экономическому обоснованию применения промышленных роботов [21,22]. В оценке эффективности внедрения следует учитывать следующие факторы.
     Время работы:
     -  оператор работает около 40 часов в неделю (без перекуров); сверхурочные работы требуют дополнительных расходов и имеют свои естественные границы;
     -  робот может работать 7 дней в неделю по 3 смены. С учетом 8 часов в неделю на ремонт и обслуживание имеем время работы промышленного робота - 160 часов (24 х 7 - 8 = 160); таким образом, мы можем, в рекламных целях, утверждать, что робот заменит 4 рабочих-операторов на данном оборудовании.

10