CC BY
29
STRUCTURAL ANALYSIS OF PROCESS MODELS AND IDENTIFICATION
OF CYCLIC STRUCTURES
O.S. Kryukov
The paper deals with the problem of optimization of production processes using the extended Petri nets methodology. An approach is proposed for determining cyclic structures in the process, taking into account branching.
Key words: Petri nets, simulation, manufacturing process, process structure, analysis, cycles.
Kryukov Oleg Sergeevich, student, ol_kryukov97@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.865.8 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-330-338
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
П.А. Груничев, С.А. Воротников, А.С. Самойлова
Рассмотрена система управления роботом вертикального перемещения (РВП) для движения по наклонной опорной поверхности. Показаны основные аспекты реализации системы управления модели РВП в программной среде V-REP. Представлены результаты моделирования различных вариантов походки по ровной вертикальной поверхности. Выполнена оценка результатов путем сравнения параметра отклонения РВП от заданного курса для различных вариантов походки. Предложен способ коррекции движения РВП.
Ключевые слова: робот вертикального перемещения, вакуумный захват, система управления, цикл шагания, гусеничная походка, диагональная походка, последовательная походка.
В настоящее время роботы вертикального перемещения (РВП) составляют отдельный класс робототехнических систем, предназначенных для самостоятельного выполнения различных технологических операций на сложных вертикальных и наклонных поверхностях [1]. К таким технологическим операциям относятся: дефектоскопия сварных швов и элементов строительных сооружений; чистка и покраска корпусов судов; контрольно-измерительные и инспекционные операции; опасные для человека аварийные работы и т.д. [2]. В частности, диагностика поверхностей зданий позволяет находить трещины и другие дефекты на ранних стадиях развития и предотвращать возможные аварии и разрушения [3]. Кинематические схемы роботов, используемых для данного типа работ, представлены в основном в виде шагающих механизмов, а для удерживания на вертикальной поверхности применяются управляемые вакуумные присоски [4, 5].
Заметим, что в большинстве случаев управление РВП осуществляется в ручном режиме с помощью пульта оператора, на интерфейс которого поступает информация о положении робота, состоянии модулей системы управления и параметрах окружающей среды. Данный тип управления требует от оператора специальных навыков, а ошибка может привести к падению и поломке РВП. Поэтому при выполнении производственных задач, например, дефектоскопии наружных стен, РВП страхуется с помощью троса, спущенного с крыши здания [6].
Существует ряд публикаций по указанной тематике. Так в статье [7] описана модель четырехногого РВП с тремя приводами для управления отдельными суставами каждой ноги, и рассмотрены основные этапы управления этими приводами, однако не приводится описание походок при движении вдоль опорной поверхности.
В статье [8] представлен алгоритм управления четырехногим РВП с двумя приводами для управления каждой ногой при реализации гусеничной походки для движения вдоль вертикальной опорной поверхности. При этом другие варианты походок не рассматриваются.
Структура системы управления РВП. Целью данной статьи является разработка системы управления РВП, способной формировать устойчивое движение робота в автоматическом режиме по вертикальной и наклонной поверхностям с помощью использования базовых вариантов походок. Управление РВП построено по иерархическому принципу в виде четырех основных модулей: исполнительной системы, модуля наблюдения, центрального процессора и блока оператора (рис. 1).
сигналов —5—
Исполнительная система робота
Модуль 1 ноги
5П
ix
\Вакуумная присоска"^ " ^
!атчик разряжения присоски 1 |
Модуль 2 ноги Модуль 3 ноги
№
Модуль 4 ноги
№
ы
м
м
Рис. 1. Структура системы управления РВП
Такая структура позволяет организовать два режима движения РВП - ручной, с помощью пульта управления и автоматический, путем выбора соответствующей походки, алгоритм которой представлен в блоке походки робота. Выбор походки производится с помощью контроллера управляющих сигналов, входящего в модуль центрального процессора. Он же служит для корректировки траектории перемещения РВП при его отклонении от заданного курса.
Исполнительная система РВП содержит четыре опорные конечности (ноги) как в работе [9] с вакуумными присосками, при этом каждая нога управляется собственным контроллером. Для регулирования силы присасывания вакуумной присоски к опорной поверхности контур управления каждой ноги включает датчик разряжения и вакуумный насос.
Мониторинг состояния опорной поверхности, определение ее внешних и внутренних дефектов, осуществляется с помощью модуля наблюдения, включающего телекамеры и дефектоскоп, а также акустический дальномер для определения расстояния до исследуемой поверхности.
Прямая и обратная задачи кинематики. Для реализации автоматического режима движения РВП необходимо решить прямую и обратную задачи кинематики [10] для выбранной конфигурации робота.
Введем следующие системы координат (СК): СК платформы ХУ^ (рис. 2, а) и СК для каждой ноги РВП , * = 0...4 (рис. 2, б). СК каждой ноги неподвижна от-
носительно СК платформы.
а 6
Рис. 2. Системы координат РВП (а) и его ноги (б)
СК ХТ^ расположена в геометрическом центре платформы, плоскость оХ2 совпадает с плоскостью платформы, ось Т направлена вверх, перпендикулярно плоскости платформы. Начало СК расположено в точке крепления ноги к платформе, плоскость оХхХх совпадает с плоскостью платформы, а ось Т сонаправлена с осью У , £ - расстояние между передними и задними ногами (рис. 2, а). Положение ног РВП можно задать с помощью 3 -х углов. ((, 0^2, ((. (рис. 2, б). Для удобства вводится вспомогательный угол (.
a; =a4 + 90o-
a - a
2
Координаты конца ноги робота (x(, y(, z() в СК i-ой ноги XjYiZi можно запи-
сать как:
(l2 + L3 • sin a; • cos + Lj )•
yt = L2 • sin a2
cos a;
sin aj.
■ L3 • cos a;; zt = (L2 + L3 • sin a3 • cos a2 + L1 )•: Решение обратной задачи кинематики выполним для верхнего расположения коленного сустава. По заданным значениям (xt, yi, zi) определим углы aj, a3, a2 :
aj = arctg
f x >
V zi У
a2 = arccos
a2 = arccos
f l22 - l3 + yf + ^xf + zf - lj)2 ^
1x2 + z2 - lj)2
- lj)2
2 • L
•j у2 + u
2 - u
(
- arctg
hi
■jx; + z( - L
22 x. + z.
2 • L 2 • L 3
+ a.
p 2'
Изменение этих углов в соответствии с заданным алгоритмом формирует ту или иную походку РВП.
Среда моделирования. Моделирование режимов движения РВП по наклонной поверхности проводилось в программной среде У-ЯЕР [11], путем подачи управляющего сигнала, соответствующего требуемому углу поворота, на каждый привод ноги
РВП. Для управления ногой РВП необходимо было задать углы поворота ((, (, ().
Выбор среды У-ЯЕР определялся возможностью генерации показаний встроенных в модель датчиков, позволяющих организовывать обратную связь при моделировании физических процессов. В ней можно учитывать действия различных силовых
x
факторов, включая силу тяжести, силу трения, крутящий момент, скорость движения и др., что позволяет получить динамическую имитационную модель РВП, на основании его кинематической модели, без составления соответствующих динамических уравнений.
При моделировании походки предполагалось, что в любом положении ног РВП, его центр масс не выходит за условный прямоугольник, образованный точками опоры и в отрыве каждый раз находится только одна нога, так чтобы остальные три удерживали робот на поверхности [12]. Также учитывалось наличие силы тяжести и опрокидывающего момента, действующего на корпус РВП. Эти факторы препятствовали движению робота в заданном направлении, приводя к отклонению от целевой траектории.
- "ш
"f "з
I. ®
V .„
Щ£ Щ
-1Тйгдэ92 В- 4 Rectangle
- ' а ¡к
да (V
■ fro» clEiss_i»atiter_r,ab i»port * A7 ai 1 * *
import vr-ep import vrepCorist
import time
vrep. simxFinish(-l)
cUent„i(i = vrep.simxStartC'W.a.fi. 1 , 19997, True, true, 5SG3, 5)
if client_id != -1:
printt'Connected to remote API server")
vpep.simxStartSimulation(client_id. vrep.5ijiix_opmode_blocking3
sys.eKit('Failed connecting to remote API server J
group = vrep .simxQetQbjectGroupData(client_id. vrepConst.sim_object names = groupie]
joints = II legs ^ []
cup = ['BaxterVacuumCup.active', 'Ba*terVacuuraCup«3.active', "Baxte
т вой _
Рис. 3. Интерфейс динамической модели РВП в среде У-гер
Динамическая модель РВП, использующая приведенные выше кинематические уравнения, моделируется с помощью графического интерфейса (рис. 3). При движении РВП сигналы управления подаются контроллером управляющих сигналов в виде последовательных команд на контроллеры соответствующих ног в зависимости от выбранного типа походки.
Основные варианты походки. В рамках данной статьи рассматривается частный случай перемещения РВП по ровной вертикальной стене. Такое движение можно осуществить с помощью трех основных вариантов походки:
1. Походки с последовательным перемещением ног;
2. Диагональной походки с попарным перемещением ног;
3. Гусеничной походки.
Каждый из представленных вариантов походок имеет свои особенности, но им всем свойственен общий недостаток - отклонение РВП от заданного курса, при поочередной отработке приводами входных управляющих воздействий. В момент отрыва соответствующей ноги от опорной поверхности нарушается статическое равновесие конструкции, а действие силы тяжести и опрокидывающего момента приводят к отклонению от целевого направления движения. Устранение этого недостатка требует применения дополнительного программного алгоритма коррекции движения, соответствующего данному типу походки.
Моделирование представленных типов походок РВП проводилось для 60 циклов шагания (ЦШ) вертикально вверх по опорной поверхности. За это время его перемещение вдоль оси 2 должно составить I м (при расстоянии между передними и задними ногами робота £ = 0,6 м величина перемещения равна I = 4 м). Данное значение является максимально возможными при отсутствии отклонения РВП от заданного курса.
1-й вариант - походка с последовательным перемещением ног. При данном типе походке РВП последовательно перемещает сначала нижнюю пару ног вверх и фиксирует их на опорной поверхности (рис. 4, б - в), а затем верхнюю пару ног и так же их фиксирует (рис. 4, г - д).
д е
Рис. 4. Фазы последовательной походки для одного ЦШ (а — е)
Далее РВП подтягивается вверх (рис. 4, д - е) при условии фиксации его ног на поверхности. Данный алгоритм описывает один ЦШ, представленный на рис. 4. Условно обозначая движения верхней левой и правой ногами - ВЛ и ВП, нижней левой и правой - НЛ и НП соответственно, а процесс подтягивания вверх - П, получим формулу этой походки в виде: НЛ - НП - ВЛ - ВП - П.
Перемещение ног РВП симметрично относительно оси Z, однако, как уже отмечалось, приводы ног отрабатывают управляющие сигналы поочередно, что приводит к линейному и угловому отклонению от заданной траектории движения. На рис. 5 синей сплошной линией показаны графики углового отклонения от заданного курса относительно оси Z (рис. 5, а) и линейной ошибки вдоль оси X(рис. 5, б).
График отклонения от заданного курса
-■ Последовательная походка Диагональная походка Гусеничная походка
Количество циклов шагания
График ошибки
--Последовательная походка
.......Диагональная походка
_Гусеничная походка_
Количество циклов шагания
а 6
Рис. 5. Отклонение по курсу (а) и ошибка по координате X (б)
Заметим, что величина линейной ошибки по оси Xрастет с каждым ЦШ (рис. 5, б). Максимальная величина отклонения от прямолинейного курса в конечной точке при 60 ЦШ составила 2.38 или 0,35/ (1,4 м при величине желаемого перемещения, равного 4 м). Данная величина приводит к возрастанию углового отклонения РВП от первоначального курса (рис. 5, а). Так, для 60 ЦШ оно составило 41°.
2-й вариант - диагональная походка. Для данного варианта характерно поочередное перемещение ног, расположенных по диагонали друг относительно друга (рис. 6). РВП поочередно перемещает вверх сначала пару ног, расположенных по одной диагонали, фиксирует их на опорной поверхности (рис. 6, б - в), и далее подтягивается вверх (рис. 6, г). Затем данная последовательность действий повторяется для пары ног, расположенных по другой диагонали (рис. 6, д - ж).
334
Гт
д§
ж
Рис. 6. Фазы диагональной походки для одного ЦШ (а - ж)
Формула этой походки имеет вид: НЛ - ВП - П - НП - ВЛ - П.
Графики ошибок при движении РВП с помощью диагональной походки качественно подобны соответствующим графикам для последовательной походки (красный короткий пунктир на рис. 5, а, б). В конечной точке движения РВП при совершении 60 ЦШ суммарная ошибка составила 2.38 или 0,25/ (примерно 1 м при величине желаемого перемещения, равного 4 м) при отклонении по курсу от начального положения 13,3°.
3-й вариант - гусеничная походка. При гусеничной походке РВП (рис. 7) попеременно перемещает сначала верхнюю пару ног вверх, фиксирует на опорной поверхности (рис. 7, б - в), после чего подтягивается (рис. 7, г). Затем повторяет данную последовательность действий для нижней пары ног (рис. 7, д - ж). Для данной походки характерна следующая формула: ВЛ - ВП - П - НЛ - НП - П.
№
иф
Шг-Л»
£ йъ__ШЙ
д е ж
Рис 7. Фазы гусеничной походки (а - ж)
Заметим, что графики ошибок, возникающих при движении РВП гусеничной походкой, также подобны соответствующим графикам для рассмотренных ранее типов походок (желтый пунктир на рис. 5, а и 5, б).
Гусеничный тип походки оказался самым неэффективным, при тех же условиях моделирования; в конечной точке движения РВП суммарная линейная ошибка (рис. 5, б) составила 6.38 или 0,95/ (примерно 3,8 м при величине желаемого перемещения, равного 4 м) при отклонении по курсу 53° (рис. 5, а).
Выводы. По результатам моделирования можно сделать следующие выводы: наименьшее отклонение по курсу достигается при использовании диагональной походки. При прямолинейном перемещении РВП на малые расстояния (10...30 ЦШ)
ошибка составляет не более 0.1/. Исходя из этого, использование диагональной походки является наиболее эффективным способом перемещения по сравнению с другими вариантами.
Тем не менее, при перемещении РВП на большие расстояния (30...60 ЦШ) ошибка доходит до 0,25/, что требует введения дополнительной коррекции походки. Одним из возможных вариантов коррекции является реализация отдельной функции на программном уровне, которая компенсировала бы возможное отклонение РВП от заданного курса.
Примером такой коррекции является модифицированный алгоритм диагональной походки, в котором исходная формула походки дополняется ее зеркально симметричным отображением. Новую формулу походки можно записать в виде: НЛ - ВП - П - НП - ВЛ - П - ВЛ - НП - П - ВП - НЛ - П.
На рис 8а и 86 приведены графики углового отклонения и линейной ошибки при использовании диагональной и модифицированной диагональной походок (синяя линия и красный пунктир, соответственно).
График отклонения от заданного курса График ошибки
а 6
Рис. 8. Отклонение по курсу (а) и ошибка по координате X (б)
Как следует из рис. 8 при перемещении РВП вертикально вверх во втором случае удалось уменьшить отклонение по курсу в 1.6 раза, а ошибку по координате X - в 2.5 раза.
Заключение. В данной статье представлены результаты моделирования четы-рехногого РВП в программной среде V-REP. Разработаны программные алгоритмы для реализации последовательной, диагональной и гусеничной походок РВП по вертикальной опорной поверхности. На основе разработанных алгоритмов выполнено моделирование данных типов походок при разном количестве ЦШ. Показано, что наименьшая ошибка при движении вертикально вверх достигается при использовании диагональной походки. Так при 60 ЦШ линейная ошибка по координате X составила около 0,25/ или 2.3S при угловом отклонении по курсу 13,3°. В качестве способа коррекции предложен модифицированный алгоритм диагональной походки, позволяющий уменьшить отклонение по курсу в 1.6 раза, а линейную ошибку по оси X - в 2.5 раза.
Список литературы
1. Nishi A., Wakasugi Y., Watanabe K. Design of a robot capable of moving on a vertical wall // Advanced robotics. 2012. P. 33-45.
2. Xianlei C., Yiping W., Huadong H. Tracked wall-climbing robot for calibration of large certical metal tanks // MDPI. 2019. 16 p.
336
3. Bridge B., Rodriguez L., Mondal S.C., Sattar T.P. Field trials of a сell of climbing cooperating robots for fast and flexible manufacturing of large scale engineering structures // The twelfth international conference on climbing and walking robots and the support technologies for mobile machines. 2010 [Электронный ресурс] URL: www.researchgate.net (дата обращения: 08.02.2021).
4. Тачков А.А., Калиниченко С.В., Малыхин А.Ю. Моделирование и оценка эффективности системы удержания малогабаритного автономного робота вертикального перемещения с вакуумными захватами // Мехатроника, автоматизация и управление. 2016. Том 17. Вып. 3. С. 178-186.
5. Ястребова И.В., Воротников С.А., Калиниченко С.В. Система управления шагающим роботом вертикального перемещения // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2019. Вып. 3 (47). С. 131-142.
6. Градецкий В. Г., Князьков М. М. Состояние и перспективы развития роботов вертикального перемещения для экстремальных сред // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. Вып. 1. С. 9-16.
7. Alsalameh A., Amin A., Mamat R. Mechanical design of a quadruped robot for horizontal ground to vertical wall movement // IEEE Region 10 International Conference TENCON. 2000. P. 213-217.
8. Albagul1 A., Assenil A., Khalifa O. Wall climbing robot: mechanical design and implementation // Recent Advances in Circuits, Systems, Signal and Telecommunications. 2011. P. 28-32.
9. Побегайлов О. А., Кравченко И.В., Кожуховский С. О., Мобильные роботы вертикального перемещения // Инженерный вестник Дона. 2010. Вып. 4 (14). С. 85-95.
10. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000. 400 с.
11. Бжихатлов И. А., Моделирование робототехнических систем в программе V-REP: учеб. пособие. СПб.: Университет ИТМО. 2018. 59 с.
12. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. Роботы вертикального перемещения. М.: Институт проблем механики РАН. 1997. 113 с.
Груничев Павел Александрович, студент, gpa15m009@student. bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,
Воротников Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, vorotnabmstn.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана,
Самойлова Арина Сергеевна, студент, sas15m206@student.bmstu.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
VERTICAL MOVEMENT ROBOT CONTROL SYSTEM P.A. Grunichev, S.A. Vorotnikov, A.S. Samoilova
In this article, we consider the control system of the vertical movement robot (VMR) designed for movement on the inclined surface. The main aspects of the design of the VMR model control system in the V-REP software are shown. The results of modeling various gait variants on a flat vertical surface are presented. The results were also evaluated by comparing the VMR deviation parameter from the set course for different gait variants. As a result, a method for correcting the VMR movement is proposed.
Key words: vertical movement robot, vacuum gripper, control system, walking cycle, worm gait, diagonal gait, sequential gait.
Grunichev Paul Alexandrovich, student, gpa15m009@student.bmstu.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Vorotnikov Sergey Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, vorotn@bmstu.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Samoylova Arina Sergeevna, student, sas15m206@student.bmstu.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
УДК 69.009 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-338-342
ВЕДЕНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ И РАСПРОСТРАНЁННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Т.К. Кузьмина, М.В. Сенаторов
Ведение, формирование и контроль исполнительной документации в современных условиях достаточно проблематичны. Сложности возникают на каждом этапе работы с документами и обработкой материалов. Рассмотрены основные проблемы, встречающиеся при работе с исполнительной документацией в строительстве.
Ключевые слова: строительство, исполнительная техническая документация, проблемы ведения, оценка ведения в современных условиях, оптимизация.
Осуществление деятельности по капитальному ремонту и реконструкции зданий и сооружений, включает в себя мероприятия по ведению исполнительной технической документации и относятся к деятельности регламентируемой градостроительным кодексом.
Обязательность составления, формы и содержание конкретной исполнительной документации, правила ее ведения устанавливаются требованиями СП и других действующих нормативных документов, а в некоторых случаях указаниями органов государственного контроля и надзора, а также участников строительства. На практике по-разному трактуются требования к ведению исполнительной документации.
Встречаются различные формы документации и правила ее оформления. Отсутствие систематизированного пособия по составлению и ведению исполнительной документации при строительстве зданий и сооружений вызывает трудности у специалистов строительных и монтажных организаций, и требует значительного времени на ее оформление. На деле же проблема заключается в том, что разные заказчики в праве требовать от подрядных и субподрядных организаций ведущих строительство, различные документы о выполненных в натуре работы и документы о качестве для этих работ, ранее не обусловленные, но входящие в перечень нормативных документов в составе исполнительной документации [1]. Организация осуществляющая строительство, должна оформить большое количество документов.
Основная часть. Техническая исполнительная документация при строительстве и реконструкции включает в себя большое количество документов, о скрытых работах, этапами промежуточного монтажа конструкций или их демонтажа, смонтированного оборудования и его испытаниями, журналах, в которые производитель работ вносит записи об этом.
