Синтез структуры манипуляционной системы мобильного робота для экстремальных работ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Список литературы:

1. Автоматическое управление химической промышленности: Учебник для ВУЗов / Под ред. Е.Г. Дуденкова. - М.: Химия, 1987. - 368 с.

2. Свертков П.И. Занимательное компьютерное моделирование и элементарный: учебное пособие. - М.: Гелиос АРВ, 2004. - 384 с.

3. Шахненко А.Г., Ланс Ц.Г. Предсказание скрытых процессов. - К.: Наукова думка, 1971. - 416 с.

СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОГО РОБОТА ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РАБОТ

© Логвинов В.И.*, Гальченко Г.А.*

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

В статье рассмотрены виды работ, применяемый сменный инструмент и его траектории для двурукого, мобильного робота, работающего в экстремальных условиях. Синтезированы возможные структуры рук манипулятора, имеющие от 3 до 6 звеньев и различные виды кинематических пар. Предложена структура двурукой манипуляционной системы робота с 11 степенями подвижности.

Обслуживание ядерных и промышленных объектов, подвергшихся разрушениям, требует применения автономных или дистанционно управляемых мобильных роботов. Создание и внедрение таких роботов является актуальным направлением современной робототехники.

Разнообразные технологические задачи, возникающие при ликвидации аварийных ситуаций, демонтаже оборудования и утилизации ядерных отходов, целесообразнее выполнять многоманипуляторными роботами, которые обладают большей универсальностью по сравнению с одномани-пуляторными роботами и грузоподъемностью. Создание и внедрение таких роботов является актуальным направлением в робототехнике. В последние годы возрос интерес исследователей к таким роботам. Выполнить одним роботом весь широкий спектр возникающих технологических операций на ядерных и аварийных объектах не представляется возможным, Необходимо очертить круг задач, которые присущи этим объектам и осуществимы на данном этапе развития робототехники.

* Доцент кафедры Робототехники и мехатроники, кандидат технических наук, доцент.

* Доцент кафедры Сервиса и технической эксплуатации автотранспортных средств, кандидат физико-математических наук.

Таблица 1

Основные технологические операции и инструмент

N пп Виды работ Тип инструмента Примерная масса, кг Схема инструмента Вид траектории инструмента или точки его крепления

1 Монтаж, демонтаж, сварка, разборка, укладка Сменные захваты 35 1 с"

Гидравлический бетонолом 70 Ц с?

Гидромолот 60 1 с?

2 Разрушение конструкций, бетона, железобетона и камня Алмазный режущий диск 20 • " ь?

Фрезы 80 т* I-

Ножницы по металлу 55 Щ 1-

3 Перемещение грунта Ковш 20 С?

Бурильная установка 200 *

4 Бурение и сверление

Сверло-метчик 110 1

5 Погрузочно-разгру-зочные работы Грейферный ковш 110 Л 1-

6 Сварка Сварочная головка с электродом 15 /С

В табл. 1 приведен перечень работ и основных технологических операций для двуруких роботов, а так же общий вид и траектория применяемого инструмента [1, 2].

Анализ таблицы показывает, что наиболее сложным движением схвата является траектория окружности, расположенная произвольно в пространстве. Такая траектория необходима при выполнении сварочных операций дуговой сваркой или для открывания - закрывания вентиля на трубопроводе при использовании двух рук манипуляционной системы робота (рис. 1).

Подвижность манипуляторов с незамкнутой кинематической цепью:

5

Е (6 - о р (1)

и

где п -, -Р,

Рис. 1. Операция открывания-закрывания вентиля двуруким манипулятором

Если в кинематической цепи нет независимых замкнутых контуров [3], то:

п = Р (2)

где Р - общее число кинематических пар:

5

р=Е р (3)

1=1

а число степеней подвижности манипулятора:

5

к = Е р (4)

1=1

Строго говоря, считать манипулятор робота незамкнутой кинематической цепью нельзя, т.к. каждая степень подвижности схвата есть не что иное как независимая обобщенная координата. Ее изменение обеспечивается соответствующим приводом. Поэтому каждый контур звеньев, обеспечивающий изменение соответствующей обобщенной координаты, является замкнутым. Механизм манипулятора следует определять как сложную кинематическую цепь [4].

- число подвижных звеньев;

- подвижность пары;

- число кинематических пар (КП).

Допущение, принятое в работе [3], позволит приближенно определить количество возможных вариантов двурукой манипуляционной системы при заданных начальных условиях и оценить их сложность.

Используя зависимости (2)-(4) синтезируем манипулятор для случаев Ж = 6, п = 3-6.

Поскольку работы могут выполняться одной или двумя руками манипулятора, то сначала определим структуру одной из рук. Для выполнения сложных пространственных кривых требуется не менее 6 степеней подвижности. Это следует из опыта использования сварочных роботов различных фирм [5]. Поэтому, в табл. 2 сведены данные для Ж = 6 при п = р = = 3^ 6, рассчитанные с использованием зависимостей (2)-(4).

Таблица 2

Виды структур механизмов для № = 6 и п = р = 3-6

п = р Р1 Р2 Р3 Р4 Р-5 С, кол-во механизмов Базовые схемы

1 1 1 0 0 27 ВСфЦ, СфВЦ, ЦСфВ, ВЦСф, СфЦВ, ЦВСф

3 0 0 0 ^0 Нет решения

0 0 0 0

0 0 0 ^0 Нет решения

4 3 0 1 0 0 16 ВВВСф, ВВСфВ, ВСфВВ, СфВВВ

2 2 0 0 0 16 ВВЦЦ, ВЦВЦ, ВЦЦВ, ЦВВЦ, ЦВЦВ, ЦЦВВ

1 1 2 0 0 Нет решения

5 0 0 0 ^0 Нет решения

4 1 0 0 0 32 ВВВВЦ, ВВВЦВ, ВВЦВВ, ВЦВВВ, ЦВВВВ

6 0 0 0 Нет решения

6 0 0 0 0 64 ВВВВВВ

Вариант 1. Число звеньев и КП равно п = р =3. При использовании только высших КП р4 и р5 при р1 = р2 = р3 = 0 нет целочисленного решения для р4 и р5, чтобы обеспечить Ж = 6.

Для случая р4 = р5 = 0 получаем из уравнений (2)-(4) р1 = р2 = р3 = 1, тогда общее число механизмов С, состоящих из I кинематических пар и q видов КП определяется по формуле:

р4 = р5 = 0, С = ^ = 33 = 27

Виды КП: сферическая (Сф), цилиндрическая (Ц) и вращательная (В). Из общего числа модификаций начальным условиям соответствуют 6 видов: ВСфЦ, СфВЦ, ЦВСф, ВЦСф, СфЦВ, ВЦСф. Если вместо вращательных пар применять и поступательные (П), прибавится еще 6 схем ПСфЦ, СфПЦ, ЦСфП, ПЦСф, СфЦП, ЦПСф. Примеры структурных схем приведены на рис. 2. В этих примерах Ж = р1 + 2р2 + 3р3 = 1 + 2 + 3 = 6. Так как в конструкции манипуляторов реализовать пары с 2-мя и 3-мя подвижностями конструктивно сложно, то применяется эквивалентная им комбинация одноподвижных пар. Замена структурной схемы на рис. 2, а приведена ниже (рис. 3).

77777^5^---

а) б)

Рис.2. Примеры структурных схем прир1 = р2 = р3 = 1 и Ж = 6: а) ВСфЦ; б) ПСфЦ

III IV 4

Рис. 3. Структурная схема манипулятора, эквивалентная схеме ВСфЦ

Сферическая пара заменена 3-мя одноподвижными вращательными парами II, III, IV и добавлены звенья 2 и 3. Цилиндрическая пара заменена парами V и VI и добавлено звено 5. Общее число подвижностей осталось таким же при р = 6: Ж = р1 + 2р2 + 3р3 = 1 + 2 + 3 = 6.

Вариант 2. Число звеньев и КП равно п = р = 4, Ж = 6. Если примем использование только высших КП при р1 = р2 = р3 = 0, то целочисленного количества р4 и р5 не получается. Для случая р1 = 3, р2 = 0, р3 = 1, р4 = р5 = 0, число механизмов С определится С = ^ = 24 = 16. Количество механизмов, отвечающих начальным условиям п = р = 4 и Ж = 6 всего 4: ВВВСф, ВВСфВ, ВСфВВ и СфВВВ. При использовании поступательных пар, например, для структурной схемы ВВВСф можно получить дополнительные модификации: ВВПСф, ВППСф, ВПВСф, ПВПСф, ПППСф, ПВВСф, ППВСф. Рассмотрим в этом же варианте п = р = 4, Ж = 6 случай, когда р1 = 2, р2 = 2, получим С = ^ = 24 = 16. Из этих 16 структурных схем 6 базовых, отвечающих начальным условиям: ВВЦЦ, ВЦВЦ, ЦВВЦ, ЦВЦВ, ЦЦВВ, ВЦЦВ. На рис. 4 приведена структурная схема ВЦЦВ (рис. 4а) и ее эквивалентная замена (рис. 4б).

В эквивалентной схеме добавлены звенья 2а и 3 а и две одноподвиж-ные поступательные пары П1 и П2, и две одноподвижные поступательные пары В2 и В3. Такая замена сохраняет по две степени подвижности между звеньями 1 и 2, 2 и 3. Общее число степеней подвижности манипулятора Ж = 6. Каждая из базовых схем может быть модифицирована использовани-

ем вместо вращательных пар поступательных. Например, для базовой структуры ЦЦВВ: 1111ВП ТТД1И I, ЦЦПВ. Для начальных условийр4 = р5 = 0

и Р1 = Р2 = 1, Р3 = 2 невозможно получить Ж = 6.

а)

б)

Рис. 4. Структурная схема манипулятора: а) ВЦЦВ; б) эквивалентная схема

Вариант 3. Число КП и подвижных звеньев примем равным 5. При р1 = = Р2 = Рз = 0 и р4 Ф р5 Ф 0 невозможно найти целочисленное решение для высших пар. Исключаем высшие пары и Р3, тогда при р1 = 4 и р2 = 1 число сочетаний С = q1 = 25 = 32. Число базовых схем манипулятора равно 5: ВВВВЦ, ВВВЦВ, ВВЦВВ, ВЦВВВ, ЦВВВВ. С учетом замены В на П, например, для первой схемы получим еще 12 модификаций. Если заменить схемы с двухподвижной парой на эквивалентные с одноподвижными парами, то каждая схема будет иметь Р1 = п = 6 и Ж = 6.

Вариант 4. Число КП и подвижных звеньев примем равными 6. При использовании только Р4 и р5 нет целочисленного решения для обеспечения Ж = 6. Анализ показывает, что для случая р2 = Р3 = р4 = р5 = 0 могут быть только одноподвижные пары р1 = 6. Базовая схема одна: ВВВВВВ. При использовании поступательных пар с учетом того, что более 3-х поступательных пар применять нецелесообразно, получим 53 дополнительные схемы.

Рис. 5. Структурная схема ориентирующих движений схвата: 1-4 звенья; В1-В3 - вращательные пары

Следовательно, анализ табл. 2 показывает, что суммарное число базовых структурных схем N = 92 (вариант 1 - N1 = 27; вариант 2 - N = 32; вариант 3 - N = 32; вариант 4 - N = 1). При использовании поступательных пар это число значительно возрастает. Для получения необходимых

массогабаритных характеристик двурукого робота целесообразно применение гидропривода. Приводы звеньев будут осуществлять гидроцилиндры, поэтому от высших кинематических пар необходимо отказаться. Трехподвижные пары для вариантов 1 и 3 можно заменить эквивалентным сочетанием одно-подвижных пар. Двухподвижную пару в 3-м варианте можно заменить на пары с одной подвижностью. Тогда структурные схемы будут содержать п = р = 6 с общим числом степеней подвижности Ж = 6. Для обеспечения ориентирующих движений схвата применяют сочетание 3 вращательных пар (рис. 5). Для переносных движений остаются еще 3 одноподвижные поступательные или вращательные пары. Чтобы увеличить зону обслуживания и уменьшить общее количество КП для обеих ветвей 2-рукого манипулятора (рис. 6) предлагается 1-ю пару В1 сделать вращательной и общей для 2-х ветвей манипулятора. КП Вл3 и Вп3 в «плечевом суставе» предпочтительны вращательные, так как в этом случае обеспечивается боковая зона обслуживания робота. Оставшуюся 6-ю КП делать поступательной нецелесообразно по конструктивным соображениям из условия минимальных габаритов робота по высоте и увеличения его устойчивости. Предлагаемая структурная схема (рис. 6) двурукого манипулятора робота позволяет выполнять технологические операции (табл. 1), включая дуговую сварку одной рукой манипулятора. В случае сложных движений используются обе руки, общее число степеней подвижности составляет Ж = 11 без учета подвижности пальцев схвата.

Таким образом, структурный синтез манипуляторов с W = 6 и более представляет значительные трудности. Для сравнения всех вариантов с учетом требований кинематики, динамики, объемов рабочего пространства и перемещений, качественного выполнения разнообразных технологических операций необходимо применение методов оптимизации проектирования, которые в настоящее время находятся в стадии разработки [6].

Влз ВЛ4 В/15 Влб

Рис. 6. Структурная схема двурукого манипулятора робота для экстремальных работ: В1 - общая вращательная пара; Вп2-Вп6 - вращательные одноподвижные пары правого манипулятора; Вл2-Вл6 - вращательные одноподвижные пары левого манипулятора

Список литературы:

1. Brokk 40 robot information [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.brokk.com.

2. Юревич Ю.И. Основы робототехники. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

3. Смелягин А.И., Бабенко Е.В. Моделирование структуры роботов и манипуляторов // Изв. Сев.-Кав. научн. центра высш. шк. - 2011. - № 1.

4. Гавриленко В.А., Скворцова Н.А. Волновые зубчатые передачи. Роботы-манипуляторы / Под ред. Н.А. Скворцовой. - М.: МВТУ им Н.Э. Баумана, 1980.

5. www.kuka.com.

6. Ceccarelli M., Carbone G, Ottaviano E. An optimization problem approach for designing both serial and parallel manipulators. Proceeding of MUSME. -2005.

КОМПОНОВКА ПЕРЕЧНЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ПРИБОРОВ И ИНСТРУМЕНТОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ РОТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ БОЛЬШОЙ ЕДИНИЧНОЙ МОЩНОСТИ

© Милосердов Е.Е.*, Минеев А.В.*

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Рассмотрен и подобран основной перечень диагностических средств, приборов и инструментов для выполнения работ по обследованию роторного экскаватора большой единичной мощности.

По оценкам ведущих организаций России, износ машинного парка в добывающих горных отраслях страны составляет более 60 %. Износ экскаваторов при ведении горных работ открытым способом 40 %. В частности, роторные экскаваторы угольных разрезов компании «СУЭК» имеют износ более 69 %. Обновление и модернизация машинного парка ведется сегодня так, что старение машин опережает их обновление. В этих условиях рационально применение своевременных обследований с применением инструментального диагностического контроля и передовых методов ремонта с целью обеспечения безопасности и эффективности работы, используемых в настоящее время на предприятиях экскаваторов. Такой подход наиболее актуален для экскаваторов, у которых срок службы превысил нормативный уровень, установленный заводом-изготовителем. Для таких экскаваторов, работающих на угольных разрезах, в соответствии с норма-

* Старший преподаватель кафедры Бурения нефтяных и газовых скважин.

* Заведующий кафедрой Бурения нефтяных и газовых скважин.