CC BY
27
Алгоритм управления шагающего робота при диагностике и ремонте шахт лифтов Поезжаева Е. В.1, Поликарпова К. Н.2
1Поезжаева Елена Вячеславовна /Poezzhaeva Elena Vjacheslavovna - кандидат технических наук, профессор, кафедра механики композиционных материалов и конструкций;
2Поликарпова Кристина Николаевна /Polikarpova Kristina Nikolaevna - студент, кафедра инновационных технологий машиностроения, аэрокосмический факультет,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
Аннотация: в настоящее время актуальны автоматические устройства, которые обеспечивают передвижения, их называют шагающие роботы. В статье рассказаны способы облегчения уборки и диагностики труднодоступных мест шахт лифтов.
Ключевые слова: робот, устройство, управление, ориентация.
УДК 681.5
Многие роботы, созданные для оказания помощи человеку при наведении порядка в «Умных» домах, скрывают в себе огромный потенциал, позволяющий использовать их для наведения порядка и чистоты на лестничных клетках в жилых и производственных помещениях, а также шахтах лифтов. Автоматическим устройством, обеспечивающим передвижение, является шагающий робот. Шагающий робот - машина относительно медленная в перемещении. Большинство шагающих роботов имеет адаптивное программное управление, в котором программа задается либо в форме готовых для обработки приводами траектории для каждой из координат манипуляционной системы, либо в виде траекторий в координатах рабочей зоны, которые затем преобразуются в реальном режиме времени в координаты степеней подвижности манипуляционной системы робота. Большинство исследований, связанных с управлением движением шагающих аппаратов, основано на предположении об абсолютной недеформируемости опорной поверхности. Однако в реальных условиях при перемещении аппарата по поверхности в результате её уплотнения под действием веса аппарата, происходит изменение положения центра тяжести и пространственной ориентации корпуса шагающего аппарата [1]. При управлении аппаратом эти погрешности должны быть скорректированы. Рассматривается алгоритм управления движением шагающего аппарата по поверхности, использующий информацию от силовых сенсоров, установленных в каждой ступне аппарата. Свойства грунта достаточно хорошо описываются моделью F=k6n (1), где б - коэффициент деформации; F - сила, действующая на поверхность со стороны ступни; кип- определяемые экспериментально константы. Если сила возрастает от 0 до F0, то ё подчиняется уравнению (1) (см. Рис. 1 а). Поскольку упругость реальных поверхностей обычно весьма мала, в дальнейшем рассматривается пластическая модель (в этом случае взаимосвязь силы F и коэффициента деформации ё при разгрузке ступни представляется на Рис.1 б штрихпунктирной линией). Таким образом, приняты следующие допущения об окружающей среде и собственно шагающем аппарате.
1. Проседание ё не превышает длины ноги (ё < 1).
2. Сила давления ступни F и коэффициент деформации б связаны соотношением (1).
3. Упругие деформации элементов конструкции полагаются пренебрежимо малыми.
Упрощенное изображение шагающего аппарата и связанной с ним координатной системы показано на Рис. 2; штриховой линией показано малое смещение корпуса в направлении оси у. Начало системы координат совпадает с центром тяжести корпуса аппарата. Ниже рассматривается изменение опорных сил в двух фазах движения аппарата: в фазе смены опорных конечностей и в фазе перемещения корпуса. Используется предположение, что масса конечности значительно меньше массы корпуса аппарата. Алгоритм управления включает в себя две части: Шаг 1 и Шаг 2. Шаг 1 формирует движение ступни. Шаг 2 осуществляет компенсацию в фазе перемещения корпуса аппарата. Блок-схема алгоритма управления включает: 1 - переносимая нога опускается; 2 - формирование модели грунта; 3 - движение переноса корпуса; 4 - нет; 5 - да; 6 -следующий алгоритм. В фазе смены опорных конечностей управление силой осуществляется её регистрированием на ступне. В фазе
перемещения корпуса аппарата опорная сила конечности из -меняется. Дополнительное проседание поверхности, обусловленное силой Af, компенсируется Шагом 2 алгоритма управления. Для осуществления такой компенсации дополнительного проседания необходимо располагать моделью поверхности (1) с достаточно точным знанием её параметров использования. Предложенный алгоритм управления является разомкнутым по перемещению и ориентации, и в связи с этим, как бы ни была мала погрешность на шаге, происходит накопление ошибки, для устранения которой требуется выполнение корректирующих движений с использованием сенсоров, регистрирующих высоту и пространственное положение (наклоны) аппарата. Коррекция высоты аппарата производится только в следующих случаях. Когда расстояние между корпусом аппарата и опорной поверхностью становится меньше заданной величины; в этом случае корпус поднимается на высоту Az. Когда ступни конечностей не входят в контакт с опорной поверхностью в
полностью вытянутом состоянии; при этом корпус опускается на высоту Az. При угрозе столкновения с препятствием корпус поднимается на высоту Az. Наклон корпуса аппарата уменьшает область статической устойчивости аппарата и приводит к нежелательному перераспределению опорных сил. Коррекция пространственной ориентации может производиться по сигналам специальных сенсоров, регистрирующих углы наклонов аппарата в разных направлениях, с использованием алгоритма управления, описанного ранее. Если угол 0 мал, то его можно определить из выражения
0 =
£F2i- l( Я2 + *2 i - 1 )-£ F2i( «1+ *2 i) £ F2 i - 1z2i - 1 + £ F2 i z 2 i
. Сопоставление рассчитываемых таким образом
величин с результатами непосредственных измерений показали достаточно высокую точность оценивания угла при изменении 0 в пределах ±6°. Накапливаемую ошибку пространственной ориентации аппарата корректируют без использования специальных сенсоров только на основании силовой обратной связи с восстановлением угла наклона [3].
Робот с дистанционным управлением предназначен для изучения обстановки и очистки. Он используется для проведения работ в подвальном помещении. Робот управляется двумя операторами, один следит за передвижением, другой - за электрическими проводами. Он преодолевает любые препятствия и выполняет различную физическую работу. Робот снабжен мощным манипулятором и управляется на расстоянии до 100 м. Более громоздкие и медленные роботы выполняют тяжелые работы. На корпус робота помещаются водоструйный агрегат для очистки поверхности или снятия краски и пылесос для сбора пыли [2].
Литература
1. Поезжаева Е. В. Промышленные роботы: учеб. пособие. в 3 ч. - М.: Изд-во УМО АМ МВТУ им. Баумана; изд-во ПГТУ, 2009.
2. Зенкевич С. Л. Управление роботами - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.
3. Поезжаева Е. В. Теория механизмов и механика систем машин: учебное пособие - М.: изд-во ПГТУ, 2015.
