Глава 2. Роботы с программным управлением [1984 Андрианов Ю.Д., Бобриков Э.П., Гончаренко В.Н. и др.

Принцип программного управления широко используют в системах управления роботов, применяемых в промышленности для автоматизации производственных процессов, а также в ряде режимов работы специальных роботов, действующих в экстремальных средах. Основной отличительной особенностью роботов с программным управлением является выполнение различных циклов операций автоматически по заранее введенной жесткой программе.

Выбор программного режима работы систем управления большинства роботов, предназначенных для автоматизации производства (промышленных роботов), был обусловлен самим характером автоматизируемых технологических процессов. Первоначально промышленные роботы должны были заменить человека на вспомогательных технологических операциях, связанных с загрузкой и разгрузкой основного оборудования (съем и подача заготовок на металлорежущих станках, обслуживание кузнечно-штамповочного оборудования, литьевых машин и т. п.). В пределах обработки партии одинаковых деталей производится перемещение заготовок или материалов по строго определенным траекториям с фиксацией положения перемещаемых деталей с определенной ориентацией в заданных точках рабочего пространства обслуживаемого оборудования. Аналогичные действия типичны для операций транспортировки, упаковки и складирования. В отношении организации процесса управления общим для всех перечисленных операций, подлежащих автоматизации, является заранее известное изменение во времени задающих воздействий системы управления, что позволило определить ее тип как программный.

Успешный опыт эксплуатации промышленных роботов привел к расширению области их применения. Действительно, для многих технологических операций (окраска, нанесение покрытий, дробеструйная обработка, точечная сварка, электродуговая сварка несложных деталей и т. д.) заранее известна траектория перемещения рабочего инструмента (например, пульверизатора, сварочной головки). Необходимо отметить, что применение промышленных роботов на основных технологических операциях было сопряжено с усложнением систем программного управления и повышения их точностных параметров.

Анализ операций, выполняемых специальными роботами, предназначенными для работы в подводном или космическом пространстве, показывает целесообразность использования в ряде случаев программных режимов работы систем управления, хотя в общем он и не является для них основным. Для подводных роботов к операциям, выполняемым по жесткой программе, можно отнести обследование поверхности морского дна при поиске объекта работ, погружение или подъем робота, перемещение манипулятором отобранных образцов пород в контейнер, установленный на подводном аппарате и т. п. По жесткой же, заранее заданной программе могут работать манипуляторы космического аппарата, перемещающие буровые ' устройства для проб грунта поверхности исследуемой планеты, манипуляторы, обеспечивающие разгрузку орбитальных космических транспортных кораблей.

Итак, цель систем программного автоматического управления роботов - перемещение захватного устройства, или просто захвата, манипулятора по заранее заданной траектории в рабочей зоне робота. Это движение может происходить как с объектом манипулирования, так и без него. Поставленная цель, очевидно, будет достигнута в системе управления, обладающей способностью:

В зависимости от назначения роботов, структуры систем программного автоматического управления отличаются как по составу, так и . по организации взаимодействия между отдельными блоками. Каждую из типичных систем управления можно рассматривать как частный случай системы, структурная схема которой показана на рис. 2.1. Через устройство ввода робота осуществляется запись информации о требуемой траектории захвата манипулятора. Эту операцию называют программированием систем управления робота. Устройство ввода используют в случае необходимости для программирования управляющего устройства на отработку заданных алгоритмов управления.

Рис. 2.1. Структурная схема системы программного управления роботом: ЗдУ - задающее устройство; ЗУ - запоминающее устройство; УУ - управляющее устройство; ДОС - датчики обратной связи; М - манипулятор; ДР - движители робота; ПДР - приводы движителя робота; ПМ - приводы манипулятора; УС - устройство сопряжения; БИ - блок индикации

Важнейшие функции в рассматриваемой системе выполняет управляющее устройство. Именно в нем реализуются алгоритмы управления, обеспечивающие исполнение программных движений с заданным качеством; синхронизируется работа всех подсистем робота совместно с внешним оборудованием; ведется контроль состояния системы; выдается информация в блок индикации.

Сигналы, вырабатываемые управляющим устройством, преобразуются в устройствах сопряжения и поступают на подсистемы приводов манипулятора и движителей робота. Подсистемы приводов, отрабатывая входные воздействия, перемещают по заданной программе звенья манипулятора и сам робот в рабочем пространстве.

Датчики обратной связи определяют истинное положение робота и его манипулятора. Информация о нем, преобразованная устройствами сопряжения поступает в управляющее устройство и используется для организации процесса управления. При некоторых способах программирования эта информация может применяться в запоминающем устройстве для записи требуемых траекторий движения.

Работа системы управления может происходить в одном из двух основных режимов: программирование системы, автоматическое воспроизведение программных движений. Рассмотрим вначале существующие методы программирования систем автоматического программного управления роботов (применительно к управлению движением манипулятора).

Первый из рассматриваемых методов программирования состоит в том, что исходя из решаемых роботом задач рассчитываются координаты точек требуемой траектории захвата манипулятора. Полученная информация передается через устройство ввода в запоминающее устройство системы. При данном способе программирования ' в управляющем устройстве системы решается обратная задача кинематики манипулятора - по заданному изменению во времени координат захвата определяются координаты его звеньев. Решение обратной задачи кинематики в реальном масштабе времени возможно в управляющих устройствах с очень высоким быстродействием. Поэтому чаще решение обратной задачи также проводится оператором до начала собственно процесса программирования системы, и в запоминающее устройство записывается информация только о требуемых перемещениях звеньев манипулятора. Для рассмотренного метода программирования характерна пассивная роль самой программируемой системы управления, поскольку, кроме устройства ввода и запоминающего устройства, остальные части системы не принимают участия в работе.

Два других метода программирования часто называют обучением робота. Основная идея методов обучения заключается в организации с помощью человека, непосредственно управляющего роботом, однократного образцового выполнения программируемой операции с одновременной записью в запоминающее устройство сигналов о текущих значениях координат звеньев манипулятора. Оператор, программирующий систему вручную, перемещает захват, манипулятора по необходимой траектории в рабочей зоне робота. Информация о происходящих при этом изменениях положения звеньев манипулятора считывается с чувствительных элементов и через устройства сопряжения поступает на запись в запоминающее устройство. Применение данного способа программирования системы управления налагает особые требования на конструкцию манипулятора и его приводов. Звенья манипулятора для облегчения действий оператора, как правило, должны быть оснащены механизмами компенсации статических моментов сопротивления, а приводы должны иметь устройства, обеспечивающие свободное перемещение выходных валов в режиме обучения.

Второй метод обучения робота также осуществляется в режиме ручного управления от задающего устройства или входящего в структуру устройства ввода программируемой системы, или подключаемого к нему на цикл обучения. Оператор с помощью задающей рукоятки или кнопочного пульта добивается требуемого перемещения захвата манипулятора. Сигналы задающего устройства в режиме ручного управления программируемой системы проходят по цепи устройства ввод-управление-сопряжение и отрабатываются приводами. Одновременно происходит запись в запоминающем устройстве данных о состоянии чувствительных элементов манипулятора. В отличие от первого способа обучения роботов данный метод не требует какой-либо особой конструкции манипулятора и его приводов, но применять его может только оператор высокой квалификации.

Процесс программирования системы управления кроме действий, описанных выше, включает также организацию записываемой в запоминающем устройстве информации в определенную структуру, ввод сигналов о взаимодействии робота с внешним оборудованием и т. п.

Простейшей единицей программной информации является число (команда), представленное в дискретной или аналоговой форме и соответствующее единичной операции, выполняемой роботом. Например, перемещение одного звена манипулятора, открытие-закрытие захвата, останов отработки программных движений, называемый выдержкой времени, выдача сигнала на внешнее оборудование. В зависимости от характера единичной операции ей может соответствовать команда от одного бита информации для операций типа включить-выключить до 12-15 бит для операций точного перемещения звена манипулятора в заданное положение.

Группе единичных операций, имеющих законченный смысл (например, перемещению захвата манипулятора в заданную точку в результате одновременного движения всех его звеньев), соответствует группа команд, объединенная общими условиями воспроизведения, называемая кадром. Кадры, в свою очередь, могут объединяться в подпрограммы, определяющие законченную небольшую последовательность действий робота.

Работа системы управления (см. рис. 2.1) в режиме автоматического воспроизведения программных движений может проходить по замкнутому или разомкнутому циклу. В первом случае информация о требуемых движениях считывается с запоминающего устройства и сравнивается в управляющем устройстве с сигналами о текущем положении манипулятора робота, поступающими по каналу главной отрицательной обратной связи. Этот канал соединяет с помощью устройства сопряжения, подключенного к управляющему устройству, чувствительные элементы манипулятора.

Сигналы рассогласования между требуемыми и истинными характеристиками движения манипулятора, т. е. сигналы ошибки, преобразуются в управляющем устройстве в соответствии с выбранными алгоритмами управления во входные воздействия, поступающие на приводы манипулятора через устройства сопряжения.

Помимо обычных функций, выполняемых в режиме автоматического воспроизведения программных движений, управляющее устройство решает задачу синхронизации работы робота и внешнего оборудования. Управляющее устройство может не только менять характер процесса управления в зависимости от состояния внешнего оборудования (внешние условия), но и непосредственно управлять этим оборудованием. Примерами таких ситуаций могут служить:

Синхронизация работы робота с внешним оборудованием может сопровождаться изменениями порядка считывания из запоминающего устройства команд, кадров и подпрограмм в зависимости как от внешних условий, так и от состояния самой системы программного управления (внутренние условия). Изменение порядка считывания в режиме автоматического воспроизведения программных движений также осуществляется управляющим устройством.

Таковы в основном самые общие принципы построения структуры и организации функционирования системы программного автоматического управления роботов.

Подчиняясь общим принципам построения и функционирования, системы данного класса, как уже отмечалось выше, могут существенно отличаться в зависимости от назначения робота, по конструктивным решениям отдельных блоков и организации взаимодействия между ними.

Системы рассматриваемого класса, так же как и другие системы автоматического управления, могут быть разделены на группы: в зависимости от формы используемых в процессе управления сигналов - на аналоговые, релейные, цифровые; по типу приводов - на пневматические, гидравлические, электрические и т. д. Однако основным классификационным признаком систем программного автоматического управления роботов, определяющим их структуру и во многом конструктивное решение отдельных элементов, является требуемый характер движения захвата манипулятора по заданной траектории.

В отношении требований к параметрам движения захвата манипулятора по заданной траектории различают три группы систем: цикловые, позиционные и контурные. В первых двух группах систем программное движение задается и реализуется в виде конечной последовательности точек, называемых позициями, а в третьей - в виде непрерывной траектории или контура. Цикловая система управления является простейшим, или вырожденным, случаем позиционной системы с минимальным количеством программируемых по каждому приводу манипулятора позиций (обычно две - начальная и конечная).

Глава 2. Роботы с программным управлением

2.1. Принципы построения систем программного автоматического управления роботов