Роботизированный комплекс для монтажа крупнопанельных зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Ткачев, Сергей Михайлович

• Ткачев, Сергей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ткачев, Сергей Михайлович

Введение.

1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

1.1. Анализ особенностей выполнения монтажных работ.

1.2. Обзор средств автоматизации и механизации монтажных работ.

1.3. Анализ методов и алгоритмов управления манипуля-ционными роботами.

1.4. Постановка задачи исследований.

1.5. Выводы по главе 1.

2. Принципы построения и математическое описание роботизированного монтажного комплекса

2.1. Принципы построения и структурная организация РМК.

2.2. Построение модели крана.

2.3. Построение модели позиционирующего робота.

2.4. Построение модели монтажного комплекса.

2.5. Выводы по главе 2.

3. Построение управляющих алгоритмов РМК

3.1. Построение локальных алгоритмов управления.

3.2. Построение алгоритмов управления положением панели.

3.3. Планирование траектории движения манипулятора с учетом ограничений обобщенных моментов.

3.4. Формирование траектории движения панели.

3.5. Выводы по главе 3.

4. Предложения по практической реализации РМК

4.1. Интегрированный программный пакет для разработки и моделирования роботов.

4.2. Предложения по построению ИИС.

4.3. Предложения по технической реализации комплекса.

4.4. Результаты испытаний и моделирования.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роботизированный комплекс для монтажа крупнопанельных зданий»

Актуальность темы. Бескаркасное крупнопанельное домостроение представляет собой сложный технологический процесс, что требует применения высокопроизводительных машин и оборудования. Важнейшим направлением интенсификации строительного производства является оптимизация технологических процессов с целью снижения материальных, трудовых и энергетических затрат. Каждый этап строительства определяет в конечном итоге качество и долговечность выполняемых работ. Одним из наиболее ответственных и трудоемких этапов возведения зданий является монтаж стеновых панелей.

Выполнить возрастающие требования к качеству, объемам и темпам домостроения, преодолев при этом сложности монтажных работ, возможно только с применением комплексной автоматизации технологического процесса установки панели.

Вместе с тем, отсутствие эффективных способов и средств выполнения и контроля параметров технологического процесса монтажа стеновых панелей не позволяет в полной мере использовать все преимущества данного способа строительства при одновременном повышении безопасности. Решение проблемы создания роботизированного монтажного комплекса (РМК) делают тему диссертационной работы актуальной как в техническом, так и в научном плане.

Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам. Работа выполнена в соответствии с научным планом работ Ростов-ской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) в рамках научного направления «Теория и практика создания роботов, робототехнических и мехатронных комплексов».

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности и безопасности выполнения монтажных операций в крупнопанельном домостроении путем совершенствования технологии на основе использования роботов и автоматизации производства монтажных работ. Для этого необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать технологические особенности монтажа крупнопанельных зданий, провести анализ состояния вопроса и сформулировать основные положения роботизации и автоматизации монтажных работ.

2. Разработать принципы построения роботизированного монтажного комплекса для крупнопанельного домостроения, обосновать структурную организацию комплекса для установки стеновых панелей.

3. Разработать и исследовать математические модели роботизированного монтажного комплекса для установки стеновых панелей, учитывающие упругие свойства механизмов, взаимовлияние оборудования комплекса и влияние внешних воздействий.

4. Разработать методы планирования движений РМК при установке панелей и синтезировать алгоритмы управления комплексом, обеспечивающие устойчивость работы оборудования к ветровым воздействиям.

5. Сформулировать рекомендации организациям, занимающимся разработкой новых строительных технологий, по практической реализации полученных результатов и использованию программных пакетов на стадии разработки и проектирования позиционирующих роботов и РМК.

Идея работы заключается в построение РМК для крупнопанельного домостроения на основе принципа раздельно-синхронного выполнения монтажных операций, с управлением, основывающимся на синергетическом подходе, двухуровневой интерполяции с последующей оптимизацией скорости движения, лежащей в основе синтеза траектории, обеспечивающей выбор ограничений в направлении максимума удельной работы.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, практические результаты работы основываются на методологии системного подхода, основных законах классической механики, теории и методах робототехники, методах математического анализа, методах классической и современной теории автоматического управления, методах компьютерного моделирования. Полученные результаты проверялись физическим и компьютерным моделированием, а так же полунатурными экспериментами.

В работе защищаются: структурная организация РМК для крупнопанельного домостроения; метод построения математических моделей манипуляторов с упругими связями; математические модели РМК с замкнутыми кинематическими структурами; метод планирования траектории движения манипулятора, использующий двухуровневую интерполяцию с последующей оптимизацией скорости движения; алгоритмы управления РМК с замкнутыми кинематическими структурами, обеспечивающие выбор ограничений в направлении максимума удельной работы; результаты исследований динамики позиционирующего робота и РМК; программная оболочка и пакет программных модулей для разработки и моделирования работы позиционирующих роботов и РМК; рекомендации по практической реализации позиционирующего робота, информационно-измерительной и управляющих систем.

Научная новизна работы состоит в разработке:

- структурной организации РМК на основе принципа раздельно-синхронного выполнения монтажных операций, определяющего распределение функций и характер взаимодействия элементов комплекса;

- метода построения математических моделей манипуляторов с упругими связями, основанного на принципе конечных разбиений, отличающегося введением фиктивных степеней подвижности в точках критичных к деформации;

- математической модели РМК с замкнутыми кинематическими структурами, на основе использования принципов декомпозиции и малого перемещения;

- алгоритма управления РМК с замкнутыми кинематическими структурами, использующего синергетический подход для решения задачи избыточности управления;

- метода планирования траектории движения манипулятора, заключающегося в применении двухуровневой интерполяции с последующей оптимизацией скорости движения;

- алгоритма управления движением РМК с оптимизацией скорости и коррекцией траектории движения, обеспечивающей выбор ограничений в направлении максимума удельной работы.

Практическая ценность работы заключается в обосновании возможности роботизации монтажных работ в крупнопанельном строительстве, предложенной структуре построения РМК, позволяющей автоматизировать процесс установки панелей; инженерных методиках проектирования монтажных комплексов; алгоритмах управления позиционирующим манипулятором РМК; создании программного пакета, позволяющего моделировать и разрабатывать позиционирующие роботы и РМК.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, классической теории управления, теории электропривода, корректными допущениями при составлении математических моделей и подтверждается данными экспериментов на модели башенного крана, результатами физического и компьютерного моделирования. Расхождение результатов не превысило 6,8%.

Реализация работы. Разработанные структуры, модели и методики приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ЗАО «Донмеханизация». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Информационные и управляющие системы» РГАСХМ для студентов специальности 210300 «Роботы и робототехниче-ские системы».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 20-м международном симпозиуме «Автоматизация и механизация строительства» ISARC-2004 (г. Сеул, Южная Корея, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2002 г.), международных научно-технических конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.; Ростов-на-Дону, 2003 г.; Кострома, 2004 г.), на кафедре «Автоматизация производства, роботизация и мехатроника» (Новочеркасск, 2004), а также ежегодных научных конференциях РГАСХМ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печ. работах, в том числе за рубежом (г. Сеул, Южная Корея) на английском языке.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 146 страниц машинописного текста, содержит 46 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 93 наименований.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Ткачев, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача повышения эффективности и безопасности выполнения монтажных операций в крупнопанельном домостроении путем совершенствования технологии на основе использования роботов и автоматизации производства монтажных работ.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие основные научные выводы и практические результаты:

1. Научно обоснована целесообразность автоматизации монтажных работ в крупнопанельном домостроении на основе создания роботизированных монтажных комплексов, позволяющих повысить безопасность выполнения монтажных работ, снизить трудоемкость, повысить качество работ.

2. Предложена структурная организация РМК для крупнопанельного строительства, основу которой составляет принцип раздельно-синхронного выполнения операций, определяющий характер взаимодействия оборудования и иерархические уровни управления комплексом.

3. Разработан метод построения математических моделей манипуляторов с упругими связями, основанный на принципе конечных разбиений, отличающийся введением фиктивных степеней подвижности в точках критичных к деформации, на основе которого получены математические модели крана и позиционирующего робота.

4. На основе совместного применения методов декомпозиции и малого перемещения получена математическая модель РМК, позволяющая проводить анализ его динамических характеристик, прогнозировать отклонения панели, оценивать влияние внутренних и внешних возмущений.

5. Разработан алгоритм управления РМК с замкнутыми кинематическими структурами на основе синергетического подхода, заключающийся в построении трехуровневого управления, из которых нижний уровень сокращает размерность объекта, средний - решает задачу избыточности управления, а верхний - формирует траекторию движения панели с учетом ограничений.

6. На основе двухуровневой интерполяции разработан метод планирования сплайнов, сочетающий применение поисковых и аналитических алгоритмов, который оптимизирует скорости движения манипулятора в реальном времени. На его основе разработан алгоритм управления движением РМК, обеспечивающий коррекцию траектории движения с учетом ограничений в направлении максимума удельной работы.

7. Разработаны алгоритмы определения положения и ориентации панели и манипуляторов комплекса, алгоритмы оптимизации места установки позиционирующего робота и его геометрических параметров.

8. Разработан интегрированный программный пакет для проектирования и моделирования роботов и РМК, включающий функции кинематического и динамического моделирования, планирование траекторий, визуализации движения комплекса, подготовки программ управления движением робота.

9. Выполненный комплекс исследований качества управления РМК показал эффективность разработанных методов и алгоритмов управления. В результате исследований выявлены адаптивные свойства РМК, обеспечивающие сохранение точности позиционирования при действии ветровой нагрузки в пределах допустимых значений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ткачев, Сергей Михайлович, 2004 год

1. Беллман Р. Динамическое программирование.- М.: ИЛ, 1960.

2. Болотник Н.Н., Черноусько Ф.Л. Оптимизация управления манипуляци-онными роботами. «Техническая кибернетика», № 1, 1990, с. 189-238.

3. Булгаков А.Г., Гернер И., Каден Р. Исследования и практические примеры организации производства и использования роботов в стройиндустрии // Машины, механизмы, оборудование и инструмент М.: ВНИИНТПИ, 1990, вып. 1. - 48 с.

4. Булгаков А.Г., Сухомлинов А.Д. Применение лазерных информационно-измерительных систем в строительстве. // Технология строительно-монтажных работ. М.: ВНИИИС, 1989, вып. 3. - 53 с.

5. Булгаков А.Г., Шиндлер И. Средства и системы автоматизации в строительной технике Технология и автоматизация строительства. М.: ВНИИНТПИ, 1994, вып.4. - 56 с.

6. Вейскас Дж. Эффективная работа с Microsoft Access 2000. СПб., 2000.

7. Вильман Ю.А. Основы роботизации в строительстве. М., 1989. 219с.

8. Воробьев В. И. и др. Механика роботов (в 3-х книгах) / Под ред. К. В. Фролова и Е. И. Воробьева. Учебн. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1988.

9. Воробьев В.А., Френкель Г.Ю., Юков А.Я. Анализ состояния и тенденция развития робототехники в строительстве // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1984. - № 10. - С. 81-87.

10. Галиуллин А. С. Методы решения обратных задач динамики: М.: Наука, 1986. 224с.

11. Головинский А.Н., Наумов А.И. Аналитическое решение задач оптимального траекторного управления летательным аппаратом // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1989. -№6.

12. Н.Горбачев Н.В., Ким Д.П., Шухов А.Г. Синтез алгоритмов управления на основе решения обратной задачи динамики с учетом ограничений на управление// Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1987. - №4.

13. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Управление роботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 400 с.

14. Зубов Н.Е. Управление объектами с релейно-импульсными и непрерывными рулевыми органами на основе алгоритма с прогнозирующей моделью и его приложение в динамике сближения КА // Космические исследования. -1989.-т. XXVII.-Вып. 2.

15. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.

16. Колесников А.А. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. — М: Энергоатомиздат, 1987.

17. Колесников А.А. Синергетическая теория систем управления. — Таганрог, 1987.

18. Колмановский В.Б., Носов В.Р. Принцип обобщенной работы в системах с последействием // Адаптация и оптимизация систем на основе принципа минимизации обобщенной работы: Тез. докл. Всес. семинара. Фрунзе: Илим, 1990.

19. Корнев В.И., Мамасуев А.В., Федоров В.А. Оптимизация системы управления приводами постоянного тока по критерию обобщенной работы// Гага-ринские научные чтения по космонавтике и авиации. М.: Наука, 1985.

20. Красовский А.А. Аналитическая форма субоптимального адаптивного управления нелинейными объектами// Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. -1983. №2.

21. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование.—М.: Наука, Гл. ред. ф.-м. лит., 1973.

22. Красовский А.А., Колесников А.А. и др. Современная прикладная теория управления. 4.1. Оптимизационный подход в теории управления/ Под ред. А.А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

23. Крейг Арнуш. Borland С++ 5: Освой самостоятельно: Пер. с англ. М.: Восточная Книжная Компания, 1997 г. - 720 с.

24. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Нелинейные модели. М.: Наука, 1989.

25. Крутько П. Д. Управление исполнительными системами роботов. М.: Наука., 1991.-336 с.

26. Кудин В.Ф. Выбор минимизируемого функционала в нелинейных задачах аналитического конструирования регуляторов// Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1976. - №5.

27. Кудин В.Ф., Ляшевский С.Э. Обобщение решения одного класса задач аналитического конструирования нелинейных регуляторов // Автоматика и телемеханика. 1990. - №7.

28. Кудин В.Ф., Самарин Е.М. Аналитическое конструирование нелинейных цифровых регуляторов по критерию обобщенной работы // Адаптация и оптимизация систем на основе принципа минимизации обобщенной работы: Тез. докл. Всес. семинара. Фрунзе: Илим, 1990.

29. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления.— М.: Машиностроение, 1986.

30. Кухаренко И.В. Определение коэффициентов квадратичных функционалов в задачах аналитического конструирования// Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1977. - №4.

31. Летов A.M. Аналитическое конструирование регуляторов, I IX. - Автоматика и телемеханика. - 1960. - т.21, №4. - С. 436 - 442, №5. - С. 561 - 568, №6. - С. 661 - 665; 1961. - т.22, №4. - С. 425 - 434.

32. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969.

33. Летов A.M. Теория оптимального управления. — В кн.: Труды II конгресса ИФАК. Оптимальные системы. Статистические методы. М.: Наука, 1965. -С. 7—38.

34. Микропроцессоры и микро-ЭВМ в системах автоматического управления электроприводами.— М.: ЦНИИТЭИ приборостроения. Обзорная информация. 1985. - вып. 4, серия 06.

35. Миркин Б.М., Цой Ман-Су. Об одном классе адаптивных алгоритмов идентификации для динамических систем// Адаптация в системах управления технологическими процессами и производством. Фрунзе: Илим, 1984.

36. Моисеев Н. Н. Элементы теории оптимальных систем. — М.: Наука, 1975.

37. Павлов В. А., Тимофеев А. В. Расчет и стабилизация программного .вижения манипулятора подвижного робота // Техническая кибернетика. 976. №6. С. 91-101.

38. Паршин Д.Я., Булгаков А.Г. Автоматизация и роботизация строительно-монтажных работ: Учеб. пособие / НПИ. Новочеркасск, 1988. - 88 с.

39. Паршин Д.Я., Ткачев С.М. Планирование движения многомерного объекта // Электрооборудование в строительстве и на транспорте: Межвузов, сб. / Под ред. В.В. Кононенко. Ростов-н/Д: Изд-во Рост. гос. строит, ун-та, 2002. - С. 28-30.

40. Паршин Д.Я., Ткачев С.М. Планирование движений монтажных роботов с интеллектным управлением // Математические методы в интеллектуальных информационных системах: Сб. тр. Международ, науч. конф. Смоленск, 2002.-С. 108.

41. Попов Е. П., Письменный Г. В. Основы робототехники. Введение в специальность: Учеб. -М.: Высш. шк., 1990.

42. Поттс С., Монк Т.С. BORLAND С++ в примерах/ Пер. с англ.; Мн.: ООО "Попурри", 1996. - 752 с.

43. Проектирование и разработка промышленных роботов / С. С. Аншин, А. В. Баранов и др.; Под общ. ред. Я. А. Шифрина, П. Н. Белянина. М.: Машиностроение, 1989. - 272 с.

44. Пшихопов В. X. Аналитическое решение задачи оптимального по быстродействию траекторного управления для манипуляционных роботов // Материалы 11-й научно-технической конференции «экстремальная робототехника», СПб, СПГТУ, 2000.

45. Пшихопов В.Х. Аналитический синтез агрегированных регуляторов ма-нипуляционных роботов. В сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», вып. №9 , М.-Таганрог, 1997, с.с. 93-110.

46. Пшихопов В.Х., Колесников А.А. «Устройство контурного управления манипуляционным роботом». Патент РФ № 2146606, бюл. № 8, 2000.

47. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9 кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: Учеб. пособие для вузов / Под. ред. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. - 175 с.

48. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9 кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: Учеб. пособие для вузов / Под. ред. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. - 175 с.

49. Современная прикладная теория управления: Синергетический подход в теории управления / Под ред. А.А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. Ч. II - 559 с.

50. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических систем / Под ред. А. А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. Ч. III. - 656 с.

51. Справочник по промышленной робототехники: В 2 кн. / Под ред. Ш Нофа.- М.: Машиностроение, 1990. 960 с.

52. Справочник по теории автоматического управления / Под редакцией Кра-совского А.А. — М.: Наука, гл. ред. ф.-м. лит., 1987.

53. Тиба Д. Применение электроники в строительных машинах. // Кэсэцу кикай.- 1980.-№10.-С. 64-75.

54. Тимофеев А. В. Адаптивные робототехнические комплексы. JL: Машиностроение, 1988.

55. Ткачев С.М. Применение гибридных фази-нейронных систем для управления адаптивным роботом // Математические методы в интеллектуальных информационных системах: Сб. тр. Международ, науч. конф. Смоленск, 2002.-С. 87.

56. Френкель Г.Ю. Роботизация процессов в строительстве. М.: Стройиз-дат, 1987. 173 с.

57. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989,- 624 с.

58. Харитонова К. А., Михеева В. Д. Microsoft Access 2000. Разработка приложений. СПб., 2000.

59. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. М.: Мир, 1967.

60. Цыкунов A.M. Конструирование оптимального регулятора// Адаптация и оптимизация систем управления. Фрунзе: Илим, 1985.

61. Bellman R. On the Determination of Optimal Trajectories Via Dynamic Programming, G. Leitman, ed. Optimization Techniques. Academic Press, New York, 1962.

62. Chen Y. On the Structure of the Time-optimal Controls for Robotic Manipulators // IEEE Trans. Autom. Contr., Vol. 34, No 1, pp.115-116, 1989.

63. Chen Y., Chien S.Y.-P., Desrochers A.A. General structure of time-optimal control of robotic manipulators moving along prescribed paths // IEEE Int. J. Control, Vol. 56, No 4, pp. 767-782, 1992.

64. Chen Y., Desrochers A.A. Structure of minimum- timel control of robotic manipulators with constrained paths. Proc. IEEE Int. Conf. Rob. and Autom., Vol. 2, pp. 971-976, 1987.

65. Handbook of industrial robotics / Edited by S.Y. Nof. NewYork: John Wiley & Sons, Inc., 1999. - 1349 pp.

66. Hasegawa J. Robotization of Construction Work // Robot. 1983. - №38. - P. -41-46.

67. Huang H.P., McClamroch N.H. Time-optimal Control for a Robotic Contour following Problem. IEEE J. Rob and Autom., Vol. 4, No 2, pp. 140-149, 1988.

68. Kahn M.E., Roth B. The Near-Minimum-Time Control of Open-Loop Articulated Kinematic Chains. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. 1971, p.p. 164-172.

69. Laser fur Hoch,- Tief- und Innenausbau, Mechanisierung, Vermessungsgerate. Prospekt der Firma Geo-Feinmechanik GmbH. Muhlheim an der Ruhr, 1998.

70. Parshin D.J., Tkachev S.M. Robotic Mounting System for Large-Panel Building // Proceedings of the 21th International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC-2004 (16-18 Sept., 2004, Seoul, South Korea). Seoul, 2004.-P. 350-353.

71. Mitani K. Robotization of Construction Work // Kowan Niyaku, Vol. 61. -1984. №6.-P. 23-28.

72. Moon K.S., Kim К., Azadivar F. Optimum continuous path operating conditions for maximum productivity of robotic manufacturing systems. "Rob. And Comput.-Integr. Manuf", 19-91, 8,№4, pp. 193-199.

73. Newman W. Robust Near Time-Optimal Control. IEEE Trans. Autom. Control., 1990, 35, № 7, pp. 841-844.

74. Proceedings of the 18 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC-2001 (10-12 Sept., 2001, Krakow, Poland). Krakow, 2001.-984 pp.

75. Proceedings of the 19 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC-2002 (9-11 Sept., 2002, Washington, USA). Washington, 2002. - 896 pp.

76. Vucobratovic M., KircanskyN. Real-Time Dynamics of Manipulation ots. Berlin. Springer Verlag, 1984.

77. Заявка SU 1337502/A1 СССР, 4 E 04 G 21/26, В 66 С 23/18. Опубл. 15.09.1987.