Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение роботизированных технологических процессов обработки посылок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Бентхами Хишам

• Бентхами Хишам
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бентхами Хишам

Введение.

1. Обзор и анализ промышленных роботов, их кинематических схем и математических моделей.

1.1. Состав, структура, технические показатели и конструктивные виды промышленных роботов.

1.1.1. Состав и структура промышленных роботов.

1.1.2. Основные технические показатели промышленных роботов.

1.1.3 Конструктивные виды промышленных роботов.

1.2.Математические модели кинематических расчетных схем промышленных роботов.

1.2.1. Системы основных координатных перемещений.

1.2.2. Структурные кинематические схемы промышленных роботов.

1.2.3 Расчетные кинематические модели типовых компоновок промышленных роботов.

1.2.3.1. Вводные пояснения.

1.2.3.2. Основные задачи кинематики.

1.2.3.3. Типовые компоновки роботов и их кинематические модели.

1.3. Анализ структурных кинематических схем основных типов манипуляторов роботов и синтез кинематической схемы манипулятора с вакуумным захватом для обработки почтовых посылок.

Выводы по первой главе.

2. Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение роботизированного технологического процесса перемещения посылок из одного положения в другое через препятствия по оптимальной траектории.

2.1. Постановка задачи.

2.2.Математическая модель управления роботизированным технологическим процессом перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие по оптимальной траектории.

2.3. Разработка альтернативных законов движения манипулятора

2.4.Требования к моментам электроприводов звеньев манипуляторов.

2.5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения расчета траектории движения звеньев манипулятора

2.5.1. Алгоритм программы расчета движения звеньев манипулятора.

2.5.2. Распечатка программы и инструкция по ее применению.

2.5.3. Результаты расчета контрольного примера.

Выводы по второй главе.

3. Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение роботизированного технологического процесса выемки посылки из штабеля и укладки посылки в штабель.

3.1 Вводные пояснении постановка задачи.

3.2 Применение метода матриц для исследования законов движения манипулятора.

3.3 Математическая модель роботизированной технологической операции захвата и выемки посылки из штабеля.

3.4 Математическая модель роботизированной технологической операции укладки посылки в выбранном месте штабеля.

Алгоритм математической модели роботизированного технологического процесса укладки посылки в штабель.

Программа расчета.

Пример расчета.

Выводы по третьей главе

4. Компьютерное моделирование, алгоритмическое и программное обеспечение процесса загрузки посылок в контейнер.

4.1. Исследование роботизированного статистических характеристик почтовых посылок.

4.1.1 Вводные пояснения

4.1.2 .Методика измерений размеров посылок.

4.1.3. Обработка статистических результатов.

4.2. Компьютерное моделирование роботизированного способа размещения посылок в контейнере.

4.2.1 .Вводные пояснения и методы моделирования процесса загрузки посылок в контейнер.

4.2.2 .Способы укладки посылок в контейнер

4.2.3. Алгоритмы размещения посылок в контейнере

4.2.4.Алгоритм компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер.

4.2.5.Алгоритм программы компьютерного численного имитационного моделирования укладки посылок в контейнер укладки.

4.2.6.Программа компьютерного численного имитационного моделирования укладки посылок в контейнер.

4.2.7. Результаты расчётов и их анализ.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение роботизированных технологических процессов обработки посылок»

Следует отметить, что ПО для автоматических манипуляторов является чрезвычайно сложным продуктом, поскольку сама по себе робототехника является синтетической наукой, объединяя механику, теорию управления, матричное и векторное вычисления, моделирование, вычислительную математику, программирование и др. Кроме того, создаваемое ПО относится к системам, работающим в реальном времени, что делает невозможным использовать многих разработанных в настоящие время алгоритмов. Создание специального простого и надежного ПО для компьютерного управления роботизированными технологическими процессами для обработки посылок является в настоящее время актуальной задачей, решение которой будет способствовать внедрению роботизации, в почтовой связи. Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена перспективностью использования промышленных роботов и манипуляторов в по«/75вой связи, что подтверждается также и тем, что она выполнялась в рамках госбюджетной НИР кафедры робототехники и мехатроники (шифр "Мехатроника") и является продолжением и дальнейшим развитием исследований по данной проблеме.

Целью диссертационной работы является разработка математического и компьютерного моделирования роботизированных технологических процессов обработки посылок. Создание алгоритмического и программного обеспечения автоматического манипулятора на основе ' ( предложенной структурной кинематической схемы, позволяющей решаются рассматриваемые технологические задачи. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: 1. Обзор и анализ промышленных роботов, их кинематических схем, математических моделей и синтез кинематической схемы манипулятора для обработки почтовых посылок. i

2. Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматического манипулятора на основе предложенной схемы для выполнения роботизированных технологических процессов обработки посылок: выемка посылки из штабеля; укладка посылки в штабель; управление перемещением посылки из одного положения в другое через препятствие по оптимальной траектории.

3. Исследование статистических характеристик почтовых посылок.

4. Компьютерное численное имитационное моделирование роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер.

Для решения поставленных задач в работе использованы методы матричного и векторного вычислений, линейной алгебры, геометрии, математического и компьютерного численного имитационного моделирования, статистических исследований, вычислительной математики, программирования и теоретических основы робототехники.

Научная новизна основных результатов диссертации состоит в следующем:

1. Проведенный анализ промышленных роботов, их структурных и кинематических схем выявил необходимость решения задачи синтеза структурной кинематической схемы манипулятора для рассматриваемых технологических задач.

Предложена новая структурная кинематическая схема манипулятора на основе ангулярной (угловой) и многозвенной схем, позволяющая решить рассматриваемые технологические задачи.

2. Разработана математическая модель управления роботизированным технологическим процессом перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие по оптимальной траектории.

3. Разработаны принципы законов управления движением для предложенной схемы манипулятора, методы расчета траектории движения схвата манипуляторы и формирования закона движения для каждого звена.

4. Аналитически решена задача управлением движением манипулятора по оптимальной траектории для преложенной структурной схемы манипулятора, синтезированной на основе ангулярной и многозвенной схем, обеспечивающая выполнение роботизированного технологического процесса перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие. Исследованы альтернативные законы движения манипулятора по различным взаимосвязанным критериям качества функционирования робототехнических систем. Для удобства программирования все расчетные формулы сведены в таблицу.

5. Разработан и подробно описан по блок-схеме алгоритм расчета движения звеньев манипулятора по оптимальной траектории. Разработана программа расчета движения звеньев манипулятора; выполнен контрольный расчет, по результатам которого построены диаграммы и проведен их анализ.

6. Предложена математическая модель роботизированной технологической операции захвата и выемки выбранной посылки из штабеля на основе принципа адекватности первой (прямой) задачи кинематики манипуляторов.

7. Аналитически решена методом матриц задача кинематики для схемы манипулятора, обеспечивающая выполнение технологической операции захвата и выемки выбранной посылки из штабеля. Получено матричное уравнение, позволяющее вычислить координаты захвата в глобальных координатах, связанных со стойкой. Для удобства программирования все расчетные формулы сведены в таблицу. По аналитическим зависимостям разработан алгоритм программы расчета, программа расчета и выполнен контрольный пример расчета.

8. Предложена математическая модель роботизированной технологической операции укладки посылки в выбранном месте штабеля на основе принципа адекватности второй (обратной) задачи кинематики манипуляторов.

9. Впервые получено аналитическое решение задача кинематики для I схемы манипулятора, обеспечивающая выполнение роботизированной технологической операции укладки посылки в выбранном месте штабеля. Получены уравнения связи цилиндрических и декартовых координат, значения вспомогательных геометрических величин и углов поворота. Для удобства программирования все расчетные формулы сведены в таблицу. По аналитическим зависимостям разработан алгоритм программы расчета, программа расчета и контрольный пример расчета.

10. Проведены исследования статистических характеристик почтовых посылок, анализ которых показал, что вид распределения размеров посылок наиболее близок к нормальному и за полтора десятилетия - срока сбора предшествующей статистики -основные характеристики посылок изменились (уменьшились).

11. Предложен метод компьютерного численного имитационного моделирования с использованием объемных моделей процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер более простой конструкции, чем существующий контейнер КПМ-500.

12. Разработаны два алгоритма размещения посылок в контейнере, в которых учтена очередность посылок, направляемых на загрузку, формируемых по критерию уменьшения или увеличения их объема, причем очередная посылка размещается в первом же свободном объеме контейнера. Разработаны блок-схемы алгоритмов укладки посылок в контейнер.

13. Разработан алгоритм программы компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер.

14. Разработана программа компьютерного численного имитационного моделирования укладки посылок в контейнер, выполнены расчеты и проведенного анализа. По результатам компьютерного численного эксперимента сделан вывод, что эффективней загрузка посылок в порядке уменьшения их объема, чем в порядке увеличения.

Результаты диссертационной работы используются в НИИПС в расчетно-конструкторской практике при проектировании технологических процессов и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ в системах автоматизированной обработки посылок.

Выполнение исследования являются составной частью НИР по теме "Разработка алгоритмов расчета и методик изложения по дисциплинам кафедры робототехники и мехатроники" (шифр "Мехатроника"). В отсчете по указанной НИР были использованные научные результаты, полученные лично автором при подготовке диссертационной работы, которые внедрены в учебный процесс кафедры робототехники и мехатроники для проведения практических занятий по дисциплинам "Основы робототехники", "Основы мехатроники" и "Подъемно-транспортные и робототехнические системы почтовой связи". Факты реализации результатов работы подтверждены

I ■' I соответствующими актами.

Полученные в диссертации комплексные результаты показали возможности применения роботов-манипуляторов для осуществления технологических операций тяжелой почты, что подтверждает техническую возможность использования робототехнических устройств в системах автоматизированной обработки посылок. Разработанное алгоритмическое и

I. программное обеспечение способствует решению вопросов, связанных с внедрением ЭВМ для роботизации технологических процессов обработки посылок.

Основные положения и результаты исследований докладывались автором

I 1 на 5-ти НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (2000-2004гг.). научные результаты, полученные автором, вошли в отчет по НИР "Мехатроника" кафедры робототехники и мехатроники.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Для выполнения рассматриваемых роботизированных технологических процессов обработки посылок необходима новая структурная кинематическая схема манипулятора, которая может быть синтезирована на основе ангулярной (угловой) и многозвенной схем.

2. Аналитические зависимости между движениями захвата манипулятора выбранной кинематической схемы и угловыми перемещениями его серводвигателей захвата могут быть определены при применении метода матриц, что позволяет получить общее матричное уравнение, устанавливающее связь между координатами системы.

3. Математической модели роботизированной технологической операции захвата и выемки посылки из штабеля адекватно соответствует прямая (первая) задача кинематики манипуляторов. Алгоритмизация данной математической модели может быть выполнена на основе матричных вычислений.

4. Алгоритм и программная реализация роботизированной технологической операции захвата и выемки посылки из штабеля.

5.Математической модели роботизированной технологической операции укладки посылки в Штабель адекватно соответствует обратная (вторая) задача кинематики манипуляторов. Алгоритмизация данной математической модели не может быть выполнена методом матриц и требует специального аналитического решения, которое впервые получено в данной работе.

6. Алгоритм и программная реализация роботизированной технологической операции укладки посылки в штабель.

7. Математическая модель роботизированного технологического процесса управления движением манипулятора по оптимальной траектории при перемещении посылки из одного положения в другое через препятствие.

1 ~ I

Алгоритмизация данной математической модели требует разработки принципов законов управления движением для предложенной схемы формирования закона движения для каждого звена, а также исследования альтернативных законов движения манипулятора.

8. Алгоритм расчета движения звеньев манипулятора по оптимальной траектории и программная реализация роботизированного технологического процесса перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие.

9. Распределение всех линейных размеров почтовых посылок близко к нормальному закону и в среднем линейные размеры посылок (и объемы) уменьшились за последние 15 лет.

10. Метод компьютерного численного имитационного моделирования с использованием объемных моделей роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер.

11. Алгоритмы размещения посылок в контейнер с учетом очередности загрузки, и по критерию уменьшения или увеличения их объема.

12. Алгоритм и программная реализация компьютерного численного имитациям моделирования роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер, которая по результатам численного эксперимента показала эффективность загрузки (укладки) посылок в порядке уменьшения их объема, чем в порядке увеличения.

В первой главе дан обзор и проведен анализ промышленных роботов, их кинематических схем и математических моделей. Рассмотрены состав и структура промышленных роботов, приведены основные их конструктивные виды и технические показатели, системы основных координатных перемещений. Дан обзор структурных кинематических схем промышленных роботов, работающих в различных системах координат. Приведены кинематические модели промышленных роботов, то есть модели, учитывающие движение роботов без взаимного силового влияния звеньев. Приведены типовые компоновки роботов, их кинематические расчётные схемы и математические зависимости основных задач кинематики роботов. '

Проведен анализ структурных кинематических схем основных типов манипуляторов роботов, показаны их преимущества и недостатки: Установлено, что ни одна из известных структурных кинематических схем манипуляторов не может быть использована для решения рассматриваемых технологических процессов обработки почтовых посылок. Выполнен синтез структурной кинематической схемы манипулятора на основе ангулярной и многозвенной схем. Синтезированная новая структурная кинематическая схема манипулятора позволяет решить рассматриваемые технологические задачи: выбор и взятие посылок из ряда других и перемещение посылки из одного положения в другое в обход препятствия.

Во второй главе выполнена разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения технологического процесса выемки посылки из штабеля и укладки посылки в штабель с применением манипулятора-перекладчика на основе предложенной структурной кинематической схемы.

Разработан роботизированный технологический процесс для выполнения операций захвата и выемки посылки из штабеля и обратной операции установки посылки в выбранном месте штабеля, состоящий для посылки. Определены аналитические зависимости между движениями захвата манипулятора выбранной кинематической схемы и угловыми перемещениями его серводвигателей. Для кинематической цели манипулятора с вращательными и поступательными парами получено общее . v > матричное уравнение, устанавливающее связь между координатами системы.

Выполнено решение прямой (первой) задачи кинематики манипулятора, состоящей в том, что по заданным относительным углам поворота звеньев, их длинам и положению стойки манипулятора определяют положения схвата. Решение этой задачи обеспечивает выполнение операции захвата и выемки выбранной посылки из штабеля. Получено матричное уравнение, позволяющее вычислить координаты захвата в глобальных координатах, связанных со стойкой. Для удобства программирования все расчетные формулы прямой задачи сведены в таблицу.

Выполнено решение обратной (второй) задачи кинематики манипулятора, состоящей в том, что по заданному положению схвата, длинам звеньев и положению стойки манипулятора определяют углы поворота звеньев манипулятора. Решение этой задачи обеспечивает выполнение операции установки посылки в выбранном месте штабеля.

Для выбранной кинематической схемы манипулятора, работающего в ангулярной системе координат, получено аналитическое выражение для вычисления углов поворота звеньев манипулятора. Для удобства программирования все расчетные формулы второй задачи сведены в таблицу.

По полученным аналитическим зависимостям для решения первби (прямой) и второй (обратной) кинематической задачи манипулятора разработаны алгоритмы и их программные реализаций. Для реализации алгоритмов выбран алгоритмический язык третьего поколения Quick Basic 4.5 фирмы Microsoft. Предполагается, что траектория движения задается по точкам или иным образом встроенной операционной системой манипулятора или внешней программой согласно датчикам технического зрения. При этом для каждой точки траектории прямая задача рассчитывает положение схвата в пространстве, а обратная значения углов, на которые серводвигатели должны повернуть звенья, чтобы схват оказался в нужной точке пространства. Программы даны в исходном виде и явным образом не компилировались в *.ехе файлы. Все расчеты и диалог с пользователем программ идут в режиме реального времени, то есть результаты появляются мгновенно. Приведены контрольные примеры расчета по первой и второй задачам.

В третьей главе выполнена разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения технологического процесса перемещения посылки из одного положения в другое по оптимальной траектории. Приведена постановка задачи, дано обоснование выбора кинематической схемы манипулятора, синтезированной на основе ангулярной и многозвенной схем, рассчитано число степеней свободы и геометрически определена рабочая зона манипулятора.

Разработаны принципы законов движения манипулятора, методы определения начала и конца траектории по исходным данным, обоснован выбор микропроцессорной системы управления "Сфера-36", построенной по иерархическому принципу. На основе разработанного метода расчета относительного движения звеньев манипулятора получены аналитические зависимости для расчета траектории движения посылки, которые сведены в таблицу. Рассмотрен вопрос об ограничениях на возможные траектории движения посылки.

Выполнено исследование альтернативных законов движения манипулятора по различным взаимосвязанным критериям качества функционирования робототехнической системы. Рассмотрено сравнение двух возможных траекторий посылки в поставленной задаче. Показано, что альтернативная траектория не выгода с точки зрения критерия потребляемой энергии по сравнению с принятой траекторией. В то же время выбранная траектория уступает альтернативной в быстродействии. Выбор той или иной траектории зависит от требований к выполнению технологического процесса. В данном случае, нет необходимости ускорять процесс. Поэтому следует выбрать наиболее выгодную с точки зрения экономии энергии траекторию. j

Рассмотрен вопрос о выборе электродвигателей и к их моментам для звеньев манипуляторов, так называемых серводвигателей. Для выбранного способа движения в кинематических парах II и Ш целесообразно применять it шаговые электродвигатели. Должны быть постоянны во времени, а по ' И величине равняться сумме момента и сил трения шарнире (инерционными силами и силами трения в кинематических парах можно пренебречь). Момент нагрузки может быть рассчитан и является функцией ограничивающих углов, которые в свою очередь являются функциями многих параметров. Аналитические выражения этих функций построены и приведены в таблице. Серводвигатели кинематических пар I и V могут быть самой простой конструкции, так как они выполняют только вращение на заданный ограничений. У пары IV двигатель отсутствует, так как звенья 5 и 6 под действием силы тяжести. Выбор конкретных типов двигателей в диссертации не рассматривается, так это самостоятельная и объемная работа.

Разработан и подробно описан по блок- схеме алгоритм расчета движения звеньев манипулятора. Разработана программа расчета движения звеньев манипулятора. Приведены результаты расчета контрольного примера. Просчитан один вариант исходных данных, результаты которого приведены в распечатке. По результатам расчета построены диаграммы и проведен их анализ.

В четвертой главе исследованы статистические характеристики почтовых посылок, выполнено компьютерное моделирование и разработано алгоритмическое и программное обеспечение роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер.

Проведены сбор и статистическая обработка линейных размеров посылок и по полученным данным построены гистограммы и полигоны длины, ширины и высоты посылок. По виду гистограмм сделан вывод, что распределения всех линейных размеров близок к нормальному. ,

Статистически распределения линейных размеров посылок (выборочное среднее и среднеквадратичное отклонение) приведены в таблицах. Проведенные измерения линейных размеров 200 почтовых посылок и выполненный их статистический анализ показали, что статистические параметры посылок изменились (уменьшились) по сравнению с прошлыми результатами, более 15 лет тому назад.

Рассмотрены методы моделирования процесса загрузки посылок в контейнер. Первый метод - это проведение эксперимента в условиях его максимального приближения к действительности. Второй метод - это объемная имитация с использованием физических моделей. Следующая группа методов моделирования процесса загрузки посылок оперирует с плоскостными моделями в физическом или компьютером их представлении.

По результатам анализа существующих методов моделирования процесса загрузки посылок в контейнер предложен новый метод моделирования -метод компьютерного численного имитирования с использованием объемных моделей. Если при натурных экспериментах физическая модель посылки реально укладывается в контейнер, то в компьютером численном имитационном эксперименте численно сравниваются размеры посылки и контейнера, что в сущности одно и то же.

Рассмотрена задача поиска наилучшего расположения группы посылок в контейнере, причем предлагается новый контейнер более простой формы чем существующий контейнер КПМ-50, но с тем же размерами, у которого во время погрузочно-разгрузочных работ верхняя и передняя стенки полностью отрывают внутренний объем.

При разработке алгоритмов размещения посылок в контейнере рассмотрены этапы при погрузке посылок в контейнер, критерии установления очереди на погрузку группы посылок и последовательность действий при загрузке очередной посылки. Исследовались два алгоритма: очередность посылок, направляемых на погрузку, формировалось по критерию уменьшения их объема и противоположный критерий - по мере увеличения их объема. Моделирование загрузки использовало следующий алгоритм - очередная посылка размещается в первом же свободном объеме контейнера. Разработана блок-схема алгоритма укладки посылок в контейнер.

Разработан алгоритм численной имитации укладки посылок в контейнер с помощью компьютера. Из совокупности размеров 200 посылок выбирается подгруппа 60 посылок для имитации погрузки их в контейнер. Необходимое число выборки размеров посылок берется по генератору случайных чисел, распределенных по нормальному закону. Процесс компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер описывается следующим образом. Модель контейнера представляет собой прямоугольный параллелепипед (рис.4.9), разбитый трехмерной сеткой на кубы со стороной в 1 см. Аналогично и каждая посылка представляет собой прямоугольный параллелепипед, разбитый на элементарные кубы, что и модель контейнера(рис.4.10). В представлении компьютера они описываются трехмерными целочисленными массивами. Если контейнер пуст, то каждый элемент массива содержит 0. Если какая-то часть объема заполнена , то в соответствующих ячейках записаны 1. Таким образом, берется очередная посылка со вполне определенными размерами- количества элементарных кубов. Второй этап-поиск свободной ячейки-куба последовательно вдоль длины, затем ширины и окончательно высоты контейнера.

Составлена программа численного имитационного моделирования с помощью ЭВМ укладки посылок в контейнер, представлены результаты расчетов и проведен их анализ.

Основным преимуществом полученных результатов с помощью компьютера по сравнению с проведением натурных или модельных экспериментов является горазда меньшая трудоемкость. Поэтому можно получить больше данных, что немаловажно для последующей статистической обработки, программа компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер является первым опытом подобного рода. Ф

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Бентхами Хишам

Выводы по четвертой главе

1. В четвертой главе исследованы статистические характеристики почтовых посылок, выполнено компьютерное моделирование и разработано алгоритмическое и программное обеспечение роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер. ; > 1

2. Проведены сбор и статистическая обработка линейных размеров посылок и по полученным данным построены гистограммы и полигоны длины, ширины и высоты посылок.

3. По виду гистограмм сделан вывод, что распределения всех линейных размеров близок к нормальному. Статистически распределения линейных размеров посылок (выборочное среднее и среднеквадратичное отклонение) приведены в таблицах. ' • • I ■ !

4. Проведенные измерения линейных размеров 200 почтовых посылок и выполненный их статистический анализ показали, что статистические

I, ■ > •• j. параметры посылок изменились (уменьшились) по сравнению с прошлыми результатами, полученными более 15 лет тому назад.

5. Рассмотрены методы моделирования процесса загрузки посылок в контейнер. Первый метод - это проведение эксперимента в условиях его максимального приближения к действительности. Второй метод - это объемная имитация с использованием физических моделей. Следующая группа методов моделирования процесса загрузки посылок оперирует с плоскостными моделями в физическом или компьютером их представлении.

6. По результатам анализа существующих методов моделирования * : » , i процесса загрузки посылок в контейнер предложен новый метод

J ' • ' t 1 » <ir моделирования - метод компьютерного численного имитирования с i • ii.v.iij >Фч использованием объемных моделей. Если при натурных экспериментах физическая модель посылки реально укладывается в контейнер, то в ' - I ' компьютером численном имитационном эксперименте численно сравниваются размеры посылки и контейнера, что в сущности одно и то же.

7. Рассмотрена задача поиска наилучшего расположения группы посылок в контейнере, причем предлагается новый контейнер более простой формы чем существующий контейнер КПМ-50, но с тем же размерами, у которого во время погрузочно-разгрузочных работ верхняя и передняя стенки полностью отрывают внутренний объем.

8. При разработке алгоритмов размещения посылок в контейнере рассмотрены этапы при погрузке посылок в контейнер, критерии установления очереди на погрузку группы посылок и последовательность действий при загрузке очередной посылки.

9. Исследовались два алгоритма: очередность посылок, направляемых на погрузку, формировалось по критерию уменьшения их объема и противоположный критерий - по мере увеличения их объема. Моделирование загрузки использовало следующий алгоритм - очередная посылка размещается в первом же свободном объеме контейнера. Разработана блок-схема алгоритма укладки посылок в контейнер.

10. Разработан алгоритм численной имитации укладки посылок в контейнер с помощью компьютера. Из совокупности размеров 200 посылок выбирается подгруппа 60 посылок для имитации погрузки их в контейнер. Необходимое число выборки размеров посылок берется по генератору случайных чисел, распределенных по нормальному закону.

11. Процесс компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер описывается следующим образом. Модель контейнера представляет собой прямоугольный параллелепипед (рис.4.9), разбитый трехмерной сеткой на кубы со стороной в 1 см. Аналогично и каждая посылка представляет собой прямоугольный параллелепипед, разбитый на элементарные кубы, что и модель контейнера(рис.4.10). В представлении компьютера они описываются трехмерными целочисленными массивами. Если контейнер пуст, то каждый элемент массива содержит 0. Если какая-то

•i . ! .

часть объема заполнена , то в соответствующих ячейках записаны 1. Таким образом, берется очередная посылка со вполне определенными размерами \ 1 .1.; количества элементарных кубов. Второй этап-поиск свободной ячейки-куба последовательно вдоль длины, затем ширины и окончательно высоты контейнера.

12. Составлена программа численного имитационного моделирования с помощью ЭВМ укладки посылок в контейнер, представлены результаты расчетов и проведен их анализ.

13. Основным преимуществом полученных результатов с помощью компьютера по сравнению с проведением натурных или модельных экспериментов является меньшая трудоемкость. Поэтому можно получить больше данных, что немаловажно для последующей статистической обработки.

14. Программа компьютерной численной имитации укладки посылок в контейнер является первым опытом подобного рода.

Заключение

1. Предложена новая структурная кинематическая схема манипулятора, синтезированная на основе ангулярной (угловой) и многозвенной схем, позволяющая решить рассматриваемые технологические задачи.

2. Разработаны математическая модель управления роботизированным технологическим процессом перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие по оптимальной траектории, принципы законов управления движением, методы расчета траектории движения схвата манипулятора и формирования закона движения для каждого звена.

3. Аналитически решена задача управлением движением манипулятора по оптимальной траектории для предложенной структурной кинематической схемы манипулятора, синтезированной на основе ангулярной и многозвенной схем, обеспечивающая выполнение роботизированного технологического процесса перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие.

4. Разработаны алгоритм расчета движения звеньев манипулятора по оптимальной траектории и программное обеспечение роботизированного технологического процесса перемещения посылки из одного положения в другое через препятствие по оптимальной траектории.

5. Предложены математические модели роботизированных технологических операций захвата и выемки посылки из штабеля и укладки посылки в штабель на основе принципа адекватности перовой (прямой) и второй (обратной) задач кинематики манипуляторов.

6. Аналитически решены задачи кинематики для схемы манипулятора, обеспечивающие выполнение роботизированных технологических операций захвата и выемки посылки из штабеля и укладки посылки в штабель.

7. Разработаны алгоритмы и программные обеспечения роботизированных технологических операций захвата и выемки посылки из штабеля и укладки посылки в штабель.

8. Разработан метод компьютерного численного имитационного моделирования с использованием объемных моделей роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер.

9. Разработаны алгоритмы размещения посылок в контейнер с учетом очередности загрузки и по критерию уменьшения или увеличения их объема.

10. Разработаны алгоритм и программное обеспечение компьютерного численного имитационного моделирования роботизированного процесса загрузки (укладки) посылок в контейнер, которые по результатам численного эксперимента показали эффективность загрузки (укладки) посылок в порядке уменьшения их объема.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бентхами Хишам, 2004 год

1. Технологические процессы в почтовой связи. Кн.2. Основные функционирования: Учебник для вузов / Б. П. Бутенко, И. А. Мамзелев, В. А. Мицкевич, Б. А. Цыбульский; Под ред. Б. П. Бутенко и И. А. Мамзелева- М.: Радио и Связь, 1998.-128с.

2. Почтовые правила. -М.: Радио и связь, 1992.-336с.

3. Организация автоматизированной обработки почтовых отправлений в крупных узлах связи / И. В. Барсук, Г. К. Гиль, A. JI. Воскресенский и др. М.: Радио и связь, 1985.-208с.

4. Оборудование и технические средства почтовой связи и союзпечати: Каталог. -М.: Радио и связь 1989.-192с.

5. Михайлов С. Д. Почтообрабатывающее оборудование: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь ,1989. -264с.

6. Титов В. К., Пронина Т. С., Морозникова Г. В. Механизация и автоматизация предприятий почтовой связи: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь, 1988.-224с

7. Соколов В. П. Почтообрабатывающие машины и механизмы учебник для вузов связи. -М.: связь, 1980.-368с.

8. Келим Ю. М., Петраков А.В., Фадеев А. Н., Бзыкин В. В. Автоматизация обработки посылочной почты: учебное пособие/ МИС. -М. 1988.-83с.

9. Петраков А.В., Птицын Г. А., Фадеев А. Н. Современные технологии обработки почты: учебное пособие/ МИС. -М. 1991.-59с.

10. П.Буланов Э.А., Третенко Ю.И. Подъемно-транспортные и погрузочно-разгрузочные устройства почтовой связи. М.: Радио и связь,1990. - 232с.

11. Куркин В.И Основы робототехники: Учебное пособие Ч.1/МТУСИ-М., 1998 48с.

12. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: справочник. -М.: машиностроение, 1988. -392с.

13. Справочник по промышленной робототехнике: В 2-х кн. Кн.1/ Под ред. Нофа Ш; пер. с англ. Д. Ф. Мироноваи др. -М.: Машиностроение, 1989. -480с.

14. Справочник по промышленной робототехнике: В 2-х кн. Кн.2/ Под ред. Нофа Ш; пер. с англ. Д. Ф. Мироноваи др.-М.: Машиностроение, 1990. -480с.

15. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники. -М.: Высшая школа,1990. 224с.

16. Юревич Е. И. Основы робототехники: Учебник для вузов. -Л машиностроение, 1985.-271С.

17. Конструирование роботов: Пер. с франц./ Андре П., кофман Ж. -М., Лот Ф., Тайар Ж.- П. -М.: Мир, 1986.-360с.

18. Ястребов В. С. Филапов А. М. Системы управления движением робота. -М.: машиностроение, 1980.-176с.

19. Тимофеев А. В. Управление роботами. Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986.-240с.

20. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для вузов: в 3-х кн./ Под ред. К. В. Фролова Е. И. Кн.1: Кинематика и динамика /Е. И. Воробьев, С. А. Попов, Г. И. Шевелева. -М.: Высш. Шк.,1988.-304с.

21. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для вузов: в 3-х кн./ Под ред. К. В. Фролова Е. И. Кн.2: Расчет и проектирование механизмов /Е. И. Воробьев, О. Д. Егоров, С. А. Попов. -М.: Высш. Шк.,1988.-367с.

22. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для вузов: в 3-х кн./ Под ред. К. В. Фролова Е. И. Кн.З: Основы конструирования /Е. И. Воробьев, А. В. Бабич, К. П. Жуков и др. -М.: Высш. Шк.,1988.-383с.

23. Мехатроника: пер. с япон./ Исии Т., Симояма И., Иноуэ X. И др. -М.: Мир, 1988.-318с.

24. Белянии П. Н. Кинематические схемы, системы и элементы промышленных роботов. -М.: машиностроение, 1992.-192с.

25. Манипуляционные системы роботов/ А. И. Корендлясев, Б. JI. Саламандра, JI. И. Тывес и др.; Под общ. ред. А. И. Корендлясева. -М.: Машиностроение, 1989.-624с.

26. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.-624с.

27. Черноусько Ф.М., Болотник Н.Н., Градецкий В.Г. Манипуляционные роботы: динамика, управление, оптимизация. -М.: Наука, 1989. 368с.

28. Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990. -527с.

29. Теория механизмов и машин: Учеб. для вузов/ К. В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов и др.; Под ред. К. В. Фролова. -М.: Высш. Шк.,1987.-496с.

30. Алгоритмы решения задач кинематики системы твердых тел. Зацепин М. Ф., Кобрин А. Н., Мартыненко Ю. Г., Новожилов И. В./ Под ред. Кобрина А. Н.-М.: Моск. Энерг. ин-т, 1989.-78с.

31. А.с. № 1684021, СССР, МКИ В25У 11/00, 9/06. Манипулятор / А. М. Моратов, Т. Т. Каимов, Л. И. Вознесенский, В.Е. Никитин, Ж. С. Ормамбеков и С. Г. Игенов. -Заявл. 24.11.88; Опубл. 15.10.91, Бюл. №38.

32. А.с. № 1678745, СССР, МКИ В66С 1/02, В25У 11/00. Перекладчик / Б. Г. Ивашенцев, Г. С. Штык. -Заявл. 05.09.89; Опубл. 23.09.91, Бюл. №35.

33. Пат. 2652529, Франция, МКИ В25У 11/00. Робот / Boisseau J.-L. -Заявл. 02.10.89; Опубл. 05.04.91, Bulletin 91/14.

34. Пат. 2671305, Франция, МКИ В25У 9/16. Способ автоматического определения траектории движения руки робота / Detriche J.-M. -Заявл. 09.01.91; Опубл. 10.07.92, Bulletin 92/28.

35. Пат. 5,326,218 США, МКИ В66С25У 1/02.автоматизированная робототехническая рука для обработка изделий / David М.-Заявл. Маг.8.1993; Опубл. Jul.5,1994.

36. Разработка алгоритмов расчёта, методик изложения по дисциплинам электро-электронно-механического направления кафедры робототехники и мехатроники (шифр "Мехатроника")// отчёт по ГБ НИР, научн. рук. В. И. Куркин/ НИЧ МТУСИ, 1999.-44с.

37. Бентхами Хишам. Планирование траекторий движения схвата манипулятора // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. 25-27 Января 2000г. -Тезисы докладов, с. 78-80

38. Бентхами Хишам. Преобразование координат промышленных роботов// Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. 25-27 Января 2000г. - Тезисы докладов, с. 80-81.

39. Алгоритмическое, программное и техническое обеспечение гибких производственных систем // межвузовский сборник "автоматизация производства", 7- Изд. Ленинградского университета. -JI. 1988. -208с.

40. Зенкевич C.JI., Назарова А.В. Программное обеспечение робототехнических систем: Учебное пособие. Изд. МВТУ, 1988-142 с.

41. Проектирование и разработка промышленных роботов. Под. ред. П.Н.Белянина, Я.А.Шифрина.-М.: машиностроение, 1993.

42. Автоматизация моделирования промышленных роботов. В.М.Дмитриев, Л.А.Арайс, А.В.Шутенков.-М.: машиностроение, 1995-304с.

43. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: Учеб. Для вузов/ Под ред. В.С.Зарубина, А.П.Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумина. 2001-496с.

44. Исследование по применению манипуляторов в технологических процессах обработки почты: Отчёт о НИР по теме №116/81/- Моск. электротехн. ин-т связи; руководитель Э.А.Буланов. -М. :1981

45. Исследование способов предварительной обработки посылок в комплексах обработки с использованием робототехники: Отчёт о НИР по теме № 19 /1-85/ ВЗЭИС; Руководитель А.В.Петраков. -М., 1985.-280 с.

46. Изучение и оценка современного состояния и тенденций развития отечественных и зарубежных средств связи :Отчёт о НИР / Моск. ин-т связи; Руководитель В.И.Куркин.- М., 1990.- 29 с.

47. Технико-экономическое обоснование применения робототехнических устройств на отдельных операциях процессов обработки почтовых отправлений и печати: Отчёт о НИР по теме № 382 /90 / Моск. ин-т связи; ; Руководитель В.И.Куркин. -М., 1991. -100 с.

48. Исследование проблемы автоматизации и применения роботов при обработке штучных почтовых грузов: Отчёт о НИР / МТУ СИ; Руководитель В.И.Куркин.- М., 1995.- 81с.

49. Куркин В.И. Основы робототехники: учебное пособие, ч.1 / МТУ СИ. -М., 1998. -48с.

50. Куркин В.И. Основы робототехники: учебное пособие, ч.2 / МТУСИ. -М., 2001.-61с.

51. Куркин В.И. Основы мехтроники : учебное пособие, / МТУСИ. М., 2002. -56с.

52. Белянин П.Н. Робототехнические системы для машиностроения. М.: Машиностроение, 1986.

53. Робот. Компьютер. Гибкое производство. -М. :Наука, 1990. 61. Челпанов И.Б., Колпашников С.Н. Схваты промышленных роботов. -Л.: Машиностроение, 1989.

54. Карташев В.А., Управление движение схвата манипулятора посложней траектории, Препринт ИПМ АН СССР № 24, 1999

55. Хлытчиев СМ., Ворожцов А.С., Захаров И.А. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. -М: Радио и связь, 1985.

56. Барсук И.В., Гиль Г.К.Демин A.M. и др. Автоматизация обработки письменной корреспонденции. -М.: Радио и связь, 1987.

57. Хлытчиев С.М., Тарасова Н.П.Лившиц В.М. Теоретические основы почтовой связи. -М.: Радио и связь, 1990.

58. Егорв В.А., Лузанов В.Д., Щербаков С.М. Транспортно-накопительные системы для ГПС.-Л.: Машиностроение!989.

59. Куркин В. И., Бентхами Хишам. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сети.// Телекоммуникационные и вычислительные системы конференция МАИ МТУСИ. 28 Ноября 2001г. - Тезисы докладов, с. 21-22.

60. Бентхами Хишам Структуры промышленных роботов по типу систем управления. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.2003, № 2233 св; с.16-24.

61. Бентхами Хишам Обзор и анализ датчиков внешней информации. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 14.06.2003, № 2233 св; с.44-50.

62. Бентхами Хишам. Функциональные модули систем управления мехатронных устройств // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. 28-30 Января 2003г. - Тезисы докладов, Кн. 1, с. 176177.

63. Бентхами Хишам. Автоматизированная система для загрузки посылок в контейнеры с использованием робототехнических устройств. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" " 04.07.2004, № 2250 св; с.33-38.

64. Бентхами Хишам. Структура взаимосвязи блоков и алгоритмы управления роботизированной системой для загрузки посылок в контейнеры. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 04.07.2004, № 2250 св; с.28-32.

65. Куркин В. И., Бентхами Хишам. Особенности и структура экспертной системы интеллектуального управления.// Телекоммуникационные и вычислительные системы конференция МАИ МТУСИ. 26 Ноября 2003г. - Тезисы докладов, с. 12-13.

66. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М. : Наука, 1969. -576 с.

67. Почтовые правила. Общая часть. М.: Радио и связь,1985. - 127 с.

68. Почтовые правила. Технологическая часть. М. : Радио и связь, 1985. -191с.

69. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969.-512 с.

70. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. -Л.: Машиностроение, 1977,-247с.

71. Карташев В.А, Методы программирования сборочных операций на роботе ПРАГМА А-3000, Препринт ИПМ АН СССР N1, Москва,1988.

72. Карташев В.А., Охоцимский Д.Е., Методы программирования сборочных операций. В кн.: Автоматизация проектирования и программирования роботов и ГПС, М., Наука, 1988.

73. Карташев В.А. и др., Математическое обеспечение робототехнического сборочного комплекса на базе манипуляторов УНИВЕРСАЛ-5. В кн.: Автоматизация проектирования и программирования роботов и ГПС, М., Наука, 1988.

74. Карташев В. А., Программное обеспечение робототехнического сборочного комплекса. В кн.: Программирование прикладных систем, М., Наука, 1992.

75. Бодров Б.Г. Механизация и автоматизация производственных процессов на почтовых предприятиях. М.: Связь, 1978. - 168 с.

76. Буланов Э.А., Лебедева Е.В. Вероятностные методы расчёта конвейеров. -М.: Изд.МЭИС, 1984. 16 с.

77. Буланов Э.А., Третенко Ю.И., Лебедева Е.В. Подъёмно-транспортные устройства почтовой связи. М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.