Разработка и исследование систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Попов, Александр Владимирович

• Попов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Попов, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ.

1.1. Развитие систем позиционно-силового управления.

1.2. Датчики и наблюдатели силы.

1.3. Системы автоматизированного позиционно-силового управления.

1.4. Системы автоматического позиционно-силового управления.

1.5. Постановка задачи исследований.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО

УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ.

2.1. Разработка функциональной схемы комбинированной системы позиционно-силового управления манипулятором.

2.2. Синтез наблюдателей силы.

2.3. Синтез алгоритмов автоматического и супервизорного позиционно-силового управления.

2.4. Синтез алгоритмов позиционно-силового управления от задающих рукояток.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОННО-СИЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Разработка математической модели системы позиционно-силового управления манипулятора.

3.2. Разработка компьютерной модели системы позиционно-силового управления манипулятора.

3.3. Компьютерное исследование системы позиционно-силового управления манипулятора.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ПОЗИЦИОННО-СИЛОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

4.1. Описание манипуляционной системы и разработка программы исследований.

4.2. Результаты экспериментальных исследований алгоритмов автоматизированного позиционно-силового управления от задающих рукояток

4.3. Результаты экспериментальных исследований алгоритмов автоматического позиционно-силового управления.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами»

В настоящее время подавляющее большинство роботов, используемых в промышленности, представляют собой манипуляторы. Для управления ими необходимо располагать двумя видами информации - о положении рабочего органа и о силе взаимодействия с объектами внешней среды, т.е. иметь средства очувствления - соответствующие сенсоры. Даже для выполнения простой операции взятия и переноса какого-либо предмета, особенно хрупкого, необходимо помимо координат схвата манипулятора контролировать усилие, чтобы с одной стороны не повредить, а с другой — не упустить этот предмет. Тем более необходима информация об усилиях для выполнения более сложных операций без использования специализированной оснастки.

Для определения силы взаимодействия манипулятора с внешней средой обычно используются силомоментные датчики. Однако существуют и косвенные способы ее оценки, реализуемые с помощью так называемых наблюдателей силы - вычислителей внешних возмущений по математической модели манипулятора и показаниям датчиков косвенных переменных. При невысоких требованиях к точности определения усилия такие устройства могут быть предпочтительнее силомоментных датчиков, так как они существенно дешевле и не требуют вмешательства в конструкцию манипулятора.

В настоящее время существуют различные системы управления манипуляторами с силовым очувствлением: копирующие манипуляторы и манипуляторы с управлением от задающих рукояток с отражением усилий, разного типа системы супервизорного и автоматического управления. Все они основаны на различных способах учета и организации силового взаимодействия с объектами внешней среды и имеют разное аппаратное и программное обеспечение. Однако проблема силового очувствления и управления, по-прежнему, продолжает оставаться одной из актуальных в робототехнике.

Несмотря на серьезные достижения робототехники последних лет, реально используемые роботы (промышленные, экстремальные, космические) все еще очень далеки от устройств с искусственным интеллектом. Еще долго будут существовать операции, которые не удается автоматизировать или выполнять более качественно, чем это делается под управлением человека-оператора. Так, например, в ряде сборочных процессов, которые выполняются автоматически, имеются отдельные операции, реализуемые пока только в режиме управления непосредственно от человека-оператора. При управлении космическими манипуляторами также особо ответственные операции выполняются в таком автоматизированном режиме. То же относиться к выполнению различных опасных операций в других экстремальных условиях.

Поэтому наиболее общим подходом к выполнению операций, требующих силового очувствления, могло бы стать комбинированное автоматическое и автоматизированное (супервизорное и с помощью задающих рукояток) позиционно-силовое управление. Такая система помимо возможности использования управления от человека там, где пасует автоматика, позволит непрерывно наращивать возможности последней за счет отработки соответствующих алгоритмов при управлении от человека и обучению им системы автоматического управления.

Целью работы является повышение качества выполнения манипуляторами технологических операций, требующих позиционно-силового управления, и расширение номенклатуры таких операций, в том числе путем создания комбинированных систем позиционно-силового управления с использованием датчиков и наблюдателей силы. Для решения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ способов автоматического и автоматизированного позиционно-силового управления манипуляторами и выявление тенденций их развития;

- разработка и исследование наблюдателей силы и возможностей их использования, в том числе совместно с датчиками силы (момента) с целью расширения диапазона измерения, минимизации аппаратных затрат и повышения надежности;

- разработка методики синтеза комбинированных систем позиционно-силового управления;

- экспериментальное исследование системы комбинированного позиционно-силового управления для нового поколения манипуляторов с таким управлением.

На основе проведенного диссертационного исследования и с учетом его результатов на защиту выносятся:

- принципы и структурные схемы позиционно-силового управления манипуляторами, сочетающие датчики и наблюдатели силы, существенно расширяющие диапазоны силового очувствления;

- алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для комбинированных систем позиционно-силового управления, объединяющие возможности автоматического и автоматизированного позиционно-силового управления;

- математические модели и основанная на них методика синтеза таких систем, апробированная на конкретных их проектах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования и два приложения. Диссертация содержит 126 страниц текста, включая приложения, из них 111 страниц основного текста, 70 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Попов, Александр Владимирович

Основные результаты диссертационной работы

1. Предложены алгоритмы и разработано соответствующее программное обеспечение для комбинированных систем позиционно-силового управления, сочетающих возможности автоматического и автоматизированного управления.

2. Разработана методика синтеза таких систем управления, апробированная при создании конкретных манипуляционных систем, отработана методика их настройки.

3. Предложены принципы и структурные схемы комплексирования силомоментных сенсорных систем и соответствующих наблюдателей, позволяющие существенно расширить диапазоны силового очувствления. Разработаны типовые структуры такого комбинированного силового очувствления.

4. Разработаны математические модели систем позиционно-силового управления манипуляторами и их программная реализация, предназначенная для исследования и синтеза такого типа систем управления различного назначения, а также для учебных целей.

Научная новизна диссертационной работы

Для системного решения задач создания систем комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами автором:

1. Разработана структура перспективной системы комбинированного позиционно-силового управления манипуляторами, существенно расширяющая их возможности.

2. Предложены алгоритмы такого управления, даны рекомендации по их применению и методика синтеза.

3. Проведен сравнительный анализ и предложена общая классификация схем наблюдателей силы с рекомендациями по их применению, в том числе в комбинации с датчиками силы (момента).

4. Предложена методика проектирования и настройки комбинированных позиционно-силовых систем управления манипуляторами, а также соответствующее программное обеспечение.

Методы исследования и достоверность результатов диссертационной работы

При исследовании и синтезе алгоритмов позиционно-силового управления и наблюдателей силы используются методы теории автоматического управления, математического и физического моделирования. Предложенные решения отработаны с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований конкретных манипуляционных систем.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы

Предлагаемая в диссертационной работе методика построения систем позиционно-силового управления позволяет повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов и модернизации известных манипуляционных систем.

Разработаны комплексная математическая и унифицированная компьютерная модель манипулятора DORES с учетом динамики механической системы и приводов, предназначенные для исследования и синтеза такого типа систем управления различного назначения, а также для учебных целей. Это позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на разработку таких систем.

Кроме этого, результаты исследования наблюдателей силы и рекомендации по их применению позволяют создавать силомоментные информационно-измерительные системы существенно более широкого диапазона при повышенной точности, надежности и минимизации аппаратных затрат.

Результаты диссертационной работы использованы в разработках ГНЦ ЦНИИ РТК при модернизации системы управления макета космического манипулятора DORES, создании медицинского робота Эквивалент, а также в ряде НИР, выполненных по заказам различных отраслей и ведомств РФ.

Апробация диссертационной работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались в 2005 - 2008 годах на: первой Российской мультиконференции по проблемам управления, Всероссийской научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», Международном научно-техническом конгрессе «Мехатроника и робототехника», конференции «Искусственный интеллект» (Интеллектуальные и многопроцессорные системы), Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», XXXII - XXXV неделях науки СПбГПУ. По результатам работы в 2008 г. получен фант от правительства Санкт-Петербурга.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, включенных в перечень научно-технических изданий ВАК России. Материалы диссертации использованы при подготовке учебного пособия «Роботы с силовым очувствлением». Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в отчетах по научно-исследовательским работам ГНЦ ЦНИИ РТК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Попов, Александр Владимирович, 2008 год

1. Кулешов, B.C. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы Текст./

2. B.C. Кулешов, Н.А. Лакота, В.В. Андрюнин-М.: Машиностроение, 1986. -328 с.

3. Юревич, Е.И. Основы робототехники Текст./ Е.И. Юревич. 2-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.

4. Горииевский, Д.М. Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях Текст. / Д.М. Гориневский, Формальский A.M., Шнейдер А.Ю., под ред. B.C. Гурфинкеля, Е.А. Девянина. Москва: Физматлит, 1994. - 366 с.

5. Воротников, С.А. Системы си ломом ентного очувствления роботов Текст. /

6. C.А. Воротников, Г.В. Письменный, В.И. Солнцев. -М.: Машиностроение, 1990-96 с.5. http://www.fanuc.com6. http://www.kuka.com7. http://www.abb.com

7. V. Lippiello, В. Siciliano, L. Villani. Robot interaction control using force and vision // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, PRC. 2006. - P. 1470-1475.

8. A. De Luca, A. Albu-Sch.affer, S. Haddadin, and G. Hirzinger. Collision detection and safe reaction with the DLR-III Lightweight Manipulator Arm // IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 2006. - P. 1623-1630.

9. Graham J.D., Ravindran R., Knapp K. Space manipulators present capability and future potential // AIAA/NASA Conf. Adv. Technol. Future Space Syst. Hampton. -1979.-Vol l.-P. 243-253.

10. Кулаков, Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными роботами Текст. / Ф.М. Кулаков. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1980. —448 с.

11. Sheridan Т., Ferell W. Human Control of Remote Computer-Manipulators // Proc. Inst. Intern. Congress on Art. Int. 1969. - P. 483-494

12. Sheridan T.B. Toward a general model of supervisory control // Monitoring behavior and supervisory control. New York. - 1976. Plenum.

13. Макарычев, В.П. Супервизорное управление космическими манипуляторами Текст. / В.П. Макарычев, Е.И. Юревич С-Пб: Астерион, 2005.- 108 с.

14. Гориневский, Д.М. Силомоментные датчики для робототехнических систем. Датчики, размещаемые на манипуляторе Текст. / Д.М. Гориневский, А.Ю. Шнейдер, А.В. Ленский, С.Б. Можжевелов М.: 1984 - 73 с.

15. Hacksel P.J., Salcudean S.E. Estimation of environment forces and rigid-body velocities using observers // IEEE international conference on robotics & automation. San Diego, California, 1994. - P. 931-936.

16. Eom K.S., Suh I.H., Chung W.K., Oh S.-R. Disturbance observer based force control of robot manipulator without force sensor // IEEE international conference on robotics & automation. Leuven, Belgium, 1998. - P. 3012-3017.

17. Alcocer A., Robertsson A., Valera A., Johansson R. Force estimation and control in robot manipulators // 7th Symposium on robot control (SYROCO'03). Wroclaw, Poland, 2003.-P. 31 -36.

18. Andrew C.S., Keyvan H.-Z. Application of neural networks in inverse dynamics based contact force estimation // IEEE international conference on robotics & automation. 2002.

19. G'amez Garc'ia J., Robertsson A., G'omez Ortega J., Johansson R. Automatic calibration procedure for a robotic manipulator force observer // IEEE international conference on robotics & automation. Barcelona, Spain, 2005, - P. 2703 - 2708.

20. Raibert M.H., Craig J.J. Hybrid position/force control of manipulators // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1981. - P. 126-133.

21. Zhang H., Paul R.P. Hybrid control of robot manipulators // IEEE transactions on robotics & automation. 1985. - P. 602-607.

22. Fisher W.D., Mujtaba M.S. Hybrid position/force control: a correct formulation // International journal of robotics research. 1992. - 11(4): P. 299-311.

23. Kliatib O. Towards integrated robot planning and control // In proceedings of the 4th IF AC symposium on robot control. 1994. - P. 351-359.

24. Lanzon A., Richards R.J. Trajectory/force control for robotic manipulators using sliding-mode and adaptive control // Proceedings of the American control conference. San Diego, California, 1999. - Vol. 3. - P. 1940-1944.

25. Kroeg Т., Finkemeyer В., Heuck M., Wahl F.M. Adaptive implicit hybrid force/pose control of industrial manipulators: Compliant motion experiments // International conference on intelligent robots and systems (IROS). Sendai, Japan, 2004.-P. 4063-4068.

26. Di Xiao, Bijoy Ghosh. Sensor-based hybrid position/force control of a robot manipulator in an uncalibrated environment // IEEE transactions on control systems technology. 2000. - Vol. 8(4). - P. 635-645.

27. Arimoto S. Learning control theory for robot motion // Int. j. adapt, contr. signal process. 1990. - Vol. 4. - P. 543-564.

28. Бурдаков, С.Ф. Обучение робота контактным операциям с учетом упругостей Текст. / С.Ф. Бурдаков, И.А. Смирнова // Материалы 13-ой научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». — СПб., 2002.

29. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part I theory // Journal of dynamic systems, measurement and control. - 1985. - P. 1-7.

30. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part II — implementation // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1985. — P. 8-16.

31. Hogan N. Impedance control: an approach to manipulation. Part III — application // Journal of dynamic systems, measurement and control. 1985. - P. 17-24.

32. Mason M.T. Compliance and force control for computer controlled manipulators // IEEE transactions on systems, man and cybernetics. 1981. - P. 418-432.

33. Lawrence D., Stoughton R.M. Position-based impedance control: Achieving stability in practice // Proc. AIAA conf. on guidance, navigation and control. 1987. -P. 221-226.

34. Asada H. Teaching and learning of compliance using neural networks: Representation and generation of nonlinear compliance // In proc. IEEE conf. robot, automat. Cincinnati. - 1990. - P. 1237-1244.

35. Chien-Chern Cheah, Danwei Wang. Learning impedance control for robotic manipulators // IEEE transactions on robotics & automation. 1994. - Vol. 14. №. 3. -P. 2150-2155.

36. Cohen, Flash T. Learning impedance parameters for robot control using an associative search network // IEEE transactions on robotics & automation. 1991. — Vol. 7.-P. 382-390.

37. Jung, Hsia T. On neural network application to robust impedance control of robot manipulators // In IEEE int. conf. robotics & automation. -Nagoya, Japan. — 1995. — P. 869-874.

38. Katie D., Vukobratovic M. Learning impedance control of manipulation robots by feedforward connectionist structures // In IEEE conf. robotics & automation. 1994. -P. 45-50.

39. An C.H., Hollerbach J.M. Dynamic stability issues in force control of manipulators // In IEEE transactions on robotics & automation. — 1987. P. 890-896.

40. Eppinger S.D., Seering W.P. Understanding bandwidth limitations in robotic force control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1987. - P. 904-909.

41. Volpe R., Khosla P. An experimental evaluation and comparison of explicit force control strategies for robotic manipulators // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. - P. 1387-1393.

42. Volpe R., Khosla P. A theoretical and experimental investigation of impact control for manipulators // International journal of robotics research. 1993. -12(4). -P. 351-365.

43. Hogan N. Stable execution of contact tasks using impedance control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1987. P. 1047-1053.

44. Hogan N., Colgate E. Stability problems in contact tasks // The robotics review. -MIT Press, 1989.-Vol. 1 P. 339-348.

45. Paljug E., Sugar Т., Kumar V., Yun X. Some important considerations in force control implementation // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. — P. 1270-1275.

46. Qian H.P., De Schutter J. The role of damping and low pass filtering in the stability of discrete time implemented robot force control // In IEEE transactions on robotics & automation. 1992. - P. 1368-1373.

47. Pratt G., Williamson, M. Series elastic actuators // Proceedings of the IEEE international conference on intelligent robots and systems. 1992. - Vol. 1 — P. 399406.

48. Зенкевич, С.Л. Основы управления манипуляционными роботами Текст./ С.Л. Зенкевич, А.С. Ющенко. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2004. - 408 с.52. http://www.mscsoftware.com53. http://www.mathworks.com

49. Тимофеев, А.В. Построение программных движений и управление роботом-манипулятором с учетом его кинематической избыточности и динамики Текст. / А.В. Тимофеев. Автоматика. - 1976. - № 1. - С. 71-81.

50. Козлов, В.В. Динамика управления роботами Текст. / В.В. Козлов, В.П. Макарычев, А.В. Тимофеев, Е.И. Юревич. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 336 с.

51. Faiz N., Agrawal S.K. Trajectory Planning of Robots with Dynamics and Inequalities // Proceedings of the IEEE international conference on intelligent robots and systems. 2000. - P. 3977-3983.

52. Jun Takamatsu, Hirohisa Tominaga, Koichi Ogawara, Hiroshi Kimura, Katsushi Ikeuchi. Extracting manipulation skills from observation // IEEE international conference on intelligent robots and systems. 2000. - Vol. 1 — P. 584 - 589.

53. S. Nicosia and P. Tomei. Robot control by using only joint position measurements // IEEE Transactions on Automatic Control. 1990. - Vol. 35, No. 9. -P. 1058-1061.

54. Denavit J., and Hartenberg R.S. A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices // ASME Journal of applied mechanics. 1955. - Vol. 75. - P. 215-221.

55. Гонсалес, P. Робототехника Текст. / Р. Гонсалес, К. Фу, К. Ли. — М.: Мир, 1989.-624 с.

56. Михайлов, О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов Текст. / О.П. Михайлов. М: Машиностроение, 1990. -304 с.

57. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода Текст. / М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер М.: Энергоиздат, 1981. — 576 с.

58. Шенфельд, Р. Автоматизированные электроприводы Текст./ Р. Шенфельд, Э. Хабигер, под ред. Ю.А. Борцова. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 464 с.

59. Дьяконов, В.П. Matlab 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы применения Текст. / В.П. Дьяконов. -Издательство "Солон-пресс", 2005. --800 с.

60. Хоменко, А.Д. Delphi 7 Текст. / А.Д. Хоменко. СПб.: БХВ-Петербург, 2003.- 1216 с.