Валерий Георгиевич Градецкий
Михаил Юрьевич Рачков
РОБОТЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
*** 1997 ***
|
ВВЕДЕНИЕ
Мобильные роботы в настоящее время используются в промышленности и в средах, недоступных или опасных для человека, например, в космическом пространстве, под водой, а также в условиях высокой температуры и радиации. Одним из относительно новых направлений в развитии мобильных роботов является создание технологических роботов вертикального перемещения (ТРВП). Эти роботы способны выполнять технологические операции на поверхностях с произвольным углом наклона. Последние несколько лет в развитых странах мира, таких как Япония, США. Англия и Германия, а также в России ведутся интенсивные исследования, направленные на создание дистанционно-управляемых ТРВП, которые могут перемещаться по горизонтальным, наклонным или вертикальным поверхностям [8-17]. Такие роботы способны преодолевать или обходить препятствия, встречающиеся на пути их следования, выходить в необходимую начальную позицию, приготовиться к выполнению требуемых технологических операций и осуществить их выполнение. Необходимость создания ТРВП и робототехнических комплексов на их базе определяется возникающими экстремальными ситуациями, возросшими требованиями к выполнению технологических операций и условиями, в которых человеку опасно находиться или сложно выполнять действия самому [18-23]. Экстремальные условия и среды могут отличаться повышенной радиоактивностью, высокими температурами, загазованностью и т. п. Например, необходимо выполнять дезактивацию помещений, включая стены и потолки, производить аварийные и профилактические работы на атомных электростанциях, выполнять противопожарные операции, осуществлять строительно-монтажные, покрасочные работы на высоте при строительстве различных сооружений, проведении ремонтных работ на корпусах судов в доках и многое другое [24-29]. Приводные системы ТРВП могут быть как электромеханическими, пневматическими или пневмоэлектрическими, причем последние имеют предпочтение из-за высокого коэффициента отношения развиваемой мощности к собственному весу, что особенно важно для систем ТРВП, где вес робота является одним из основных ограничений [30,31]. В качестве захватных устройств для сцепления с вертикальными поверхностями могут использоваться вакуумные устройства универсального применения, не зависящие от материала поверхности, а также управляемые магнитные захватные устройства, предназначенные для фиксации роботов на поверхностях из ферро-магнитных материалов. Создание роботов для экстремальных сред предусматривается японскими и американскими национальными программами по робототехнике, а также европейскими, в частности INTAS «MORES», Актуальность и важность применения ТРВП для различных целей послужила основой для создания в 1996 году международного координационного центра по роботам вертикального перемещения CLAWAR на базе Портсмутского университета (Великобритания), Экономическая эффективность использования ТРВП достигается за счет выполнения работ на больших высотах без специальных строительных лесов, навесов и других приспособлений, а также за счет экономии времени при выполнении операций [33]. Однако, сохранение здоровья и жнзии людей при использовании ТРВП имеет приоритетное значение. Существенные результаты с промышленным применением роботов вертикального перемещения достигли такие зарубежные фирмы, как «Токио Газ Лимитен», «Хитачи» (Япония), «Интернейшинл роботик технолоджи» (США), Портсмутский университет (Великобритания) и другие [34-44]. Как показала проведенная в сентябре 1990г. в г. Глазго (Великобритания) Первая Международная Олимпиада роботов, достижения нашей страны в данной области находятся на уровне, соответствующем мировым образцам - два робота вертикального перемещения Института проблем механики РАН получили медали этой Олимпиады. В Институте проблем механики РАН в рамках Государственной Научно - Технической Программы (ГНТП) "Технологии машины и производства будущего" (раздел "Машины новых поколений") в течение последних лет решается задача’создания мобильных робототехнических комплексов вертикального перемещения. Создание таких комплексов связано с выполнением фундаментальных исследований в области механики и машиностроения, с необходимостью разработки механической конструкции, систем управления и приводных систем, методов динамического управления движением с учетом статических и переменных внешних воздействий, которые возникают в результате изменения ориентации корпуса ТРВГ1 или работы технологического оборудования, установленного на борту. Дальнейшее развитие этого нового направления в робототехнике потребовало выполнения исследований, направленных на повышение мобильности и маневренности роботов, улучшение их интеллектуальных свойств, расширение технологических возможностей и областей эффективного использования Повышение интеллектуальных качеств мобильных роботов достигается постановкой соответствующих датчиков (локационных, тактильных, технического зрения и др.), организацией обратных связей, разработкой специальных алгоритмов движения, анализа сцен, накопления баз данных о внешней среде и автоматического принятия решений [50-54]. Японской фирмой "Хитачи" совместно с лабораторией механики научного центра в г. Цукуба разработаны два варианта ТРВП: 1 - робот с магнитными устройствами фиксации для движения по вертикальным поверхностям из ферромагнитных материалов (корпуса судов, хранилища нефтепродуктов, корпуса ядерных реакторов). Робот имеет следующие характеристики: собственный вес 20 кгс; грузоподъемность 12 кг; скорость перемещения 1,1 ммин. Данный робот предполагается использовать для проведения таких работ как очистка, покраска и ремонт; - робот с устройствами фиксации вакуумного типа для движения по неметаллическим и металлическим поверхностям, предназначенный для контрольноизмерительных и инспекционных операций [27]. Японской фирмой "Токио Газ Лимитед" совместно с фирмой "Хитачи" разработан диагностический робот для технической диагностики методом ультразвуковой дефектоскопии сварных швов сферических газовых резервуаров. Данный ТРВП имеет автономное управление и следующие параметры; собственный вес 140 кгс; грузоподъемность до 60 кг; диаметр 1800 мм: высота 650 мм; скорость поступательного движения 0,9 ммин, скорость вращательного движения 1,8 радмин; количество захватов на каждой из платформ равно восьми [22]. Этот робот имеет повышенный вес приводной системы. Для сочетания мощности, надежности и возможности регулирования скорости при относительно небольших габаритах и массе необходимо разработать комбинированный привод ТРВП. позволяющий с помощью малых мощностей управлять силовыми элементами привода. При этом широкий диапазон регулирования скорости позволит использовать один привод как для транспортных, так и для технологических движений робота, что приведет к повышению его производительности. Английской фирмой "Секьюрити" разработан ТРВП с управляемыми магнитными захватами, предназначенными для чистки корпусов судов и их окраски. Ограниченность функциональных возможностей этого робота определяется использованием педипуляторов, не способных адаптироваться к неровностям поверхности перемещения. В связи с этим актуальным является создание адаптивных схем вакуумных педипуляторов транспортной системы приводов ТРВП (СП ТРВП), а именно, механической адаптации к неровностям поверхности перемещения ТРВП и пневматической адаптации для обеспечения постоянства величины усилия со стороны ВП при наличии неплотностей под захватом. Разработка комбинированных конструкций ВП расширит их функциональные возможности и повысит надежность захвата. Портсмутскйй политехник (Великобритания) разработал ТРВП с антропоморфными педипуляторами [42]. Данный робот имеет развитую систему управления, но невысокие устойчивость и быстродействие, а также низкую точность позиционирования из-за упругой податливости в исполнительных звеньях привода. Для повышения надежности функционирования ТРВП в целом необходимо провести анализ устойчивости СП ТРВП на основе измерения линейных и угловых скоростей его элементов, а также действующих сил и моментов. Требуется получить условия максимальной устойчивости робота с учетом конкретных параметров СП ТРВП. В области систем управления приводами роботов такого типа надо разработать структуры, позволяющие оптимизировать режимы работы СП ТРВП по положению и по быстродействию. При этом, в ряде случаев важно учитывать влияние упругой податливости в исполнительном звене привода при выводе оптимального закона управления для сохранения точности позиционирования, а также влияние величины максимально допустимого тока привода, что повышает надежность функционирования робота при любых режимах работы, вызывающих повышение потребляемого тока, без перегрузки двигателя привода. Важным является также определение условий равновесия робота на поверхности, обеспечивающих отсутствие отрыва и проскальзывания захватов. Одним из новых перспективных применений ТРВП является его использование для подводных работ. Подводные ТРВП дают возможность значительно повысить эффективность работ в реакторах АЭС, в частности для инспекции, ремонта, а также контактного дугового сверления и резки стальных конструкций. Кроме того, подводные ТРВП имеют широкую область применения в соответствующих строительных и спасательных операциях. Одна из первых попыток создания ТРВП для подводных операций была предпринята в Гданьском Университете [43]. Вес робота превышает 200 кгс, и из-за малых рабочих усилий системы приводов его работоспособность крайне ограничена. Разработка методов расчета силовых элементов СП ТРВП позволит упростить определение усилий рабочих пневмоцилиндров системы. В частности, построение расчетных диаграмм для определения расхода воздуха ТРВП как функции длины хода для различных диаметров цилиндров и давлений питания системы, получение отношения между тангенциальной и нормальной силами захвата в зависимости от разницы давлений для различных материалов рабочих поверхностей, а также при разных плечах приложения сил отрыва, даст возможность эффективного проектирования транспортной СП ТРВП и систем захвата. Получение характеристик зависимости коэффициента трения захвата в функции давления при разных шероховатости поверхности и материалах захватов, зависимости уровня вакуума в СП ТРВП от типа поверхности перемещения и от формы и высоты неровностей под захватом позволят учесть их влияние и, тем самым, повысить надежность функционирования робота. Главным недостатком всех перечисленных конструкций является низкий коэффициент отношения грузоподъемности робота к собственному весу, а также невозможность перемещения по неровным поверхностям с сохранением высокой грузоподъемности. Одной из важнейших частей в составе ТРВП является система приводов, которая осуществляет перемещение ТРВП по поверхности, фиксацию, ориентацию, а также перемещение технологического оборудования во время выполнения рабочих операций. Приводам роботов посвящены многочисленные исследования, в частности, преимущества использования пневматических систем в приводах, их расчет и динамика рассмотрены в [55-60]. Однако, СП ТРВП имеет рад существенных особенностей, связанных со спецификой функционирования на вертикальных поверхностях. Разработка усовершенствованных структур и методов расчета рабочих режимов систем приводов ТРВП является решающим фактором повышения производительности роботов при выполнении ими технологических операций. Анализ характеристик существующих ТРВП позволяет сделать вывод о необходимости совершенствования приводных систем с целью повышения коэффициента отношения грузоподъемности робота к собственному весу, а также для обеспечения возможности перемещения по неровным поверхностям с сохранением высокой грузоподъемности. Разработка систем приводов с указанными свойствами приводит к расширению функциональных возможностей ТРВП. Принципиальную важность в СП ТРВП имеют системы безопасности, которые обеспечивают возможность устранения сбоя в процессе движения робота или транспортировку робота в начальное положение с места нахождения робота во время отказа одной из систем. В известной литературе не определены взаимосвязи между условиями выполнения технологической операции и методом, обеспечивающпм безопасность ТРВП. В связи с этим целесообразно разработать общий подход к созданию систем безопасности ТРВП. Представляет большой практический интерес разработка вариантов ТРВП для операций очистки стеклянных, металлических и бетонных поверхностей, а также применение ТРВП в составе робототехнического комплекса дезактивации с перемещением технологического оборудования по выбранной траектории, в частности, в условиях неопределенности внешней ситуации при аварийных работах. Производительность выполнения операций дезактивации и очистки может быть повышена за счет совмещения приводных систем захвата и технологического инструмента. Не разработаны СП ТРВП для выполнения таких трудоемких операций, как сверление, монтаж дюбелей и других, требующих повышенных технологических усилий. Одним из вариантов выполнения инспекции, покраски, сверления, монтажа дюбелей, очистки, шлифовки и других операций является использование универсального ТРВП со сменными технологическими модулями. В связи с этим, ТРВП могут найти свое место в гибких автоматизированных производствах, особенно при обработке поверхностей большой площади. Создание TPBII для проведения противопожарных операций путем автоматического вырезания отверстий в стенках горящих резервуаров с целью введения средств тушения в область открытого огня позволит исключить использование людей в такой экстремально опасной для жизни ситуации. Система приводов в этом случае должна выдерживать работу в условиях высоких температур. Повышение мобильности и маневренности может достигаться за счет обеспечения перехода роботов при движении с пола на стены, со стены на потолок и т.д. Эта проблема весьма сложна, и в настоящее время имеются определенные достижения, требующие, однако, своего дальнейшего развития. Одним из методов, обеспечивающих необходимое повышение мобильности, является установка робота вертикального перемещения на мобильном роботе-носителе, способном передвигаться по горизонтальным поверхностям. Присоединение робота вертикального перемещения к вертикальным поверхностям осуществляется в автоматическом режиме по соответствующим командам управления. Измерительно-информационные системы роботов включают сенсорные устройства ближней и дальней локации и ориентации вблизи поверхностей, препятствий и других объектов внешней среды, что направлено на выполнение некоторых задач интеллектуального поведения, например таких как автоматическое принятие решений о дальнейшем движении при обходе или преодолении препятствий на основе анализа ситуаций. В последнее время большое внимание в разных странах уделяется созданию автономных робототехнических систем, способных перемещаться в сложной обстановке при наличии препятствий. При этом организация перемещения по вертикальным и наклонным поверхностям с надежной фиксацией на этих поверхностях представляет собой одну из фундаментальных технических задач, так как такие поверхности являются важнейшей составной частью различных сооружений. Движение по подобным поверхностям требует от робота обеспечения значительных усилий сцепления, которые должны быстро и надежно регулироваться системой управления. В этом плане очень важным направлением работ является усовершенствование захватных устройств, в частности, вакуумных. Для движения по поверхностям сложной конфигурации, включающим горизонтальные и вертикальные участки, большое значение приобретает создание комбинированных мобильных систем, содержащих модули вертикального и горизонтального перемещений с узлами их сопряжения. Разнообразие возможных мобильных систем обуславливается как большим различием поверхностей движения, так и многообразием технологических задач, требующих специфического оборудования. Сочетание этого оборудования, а также необходимых сенсорных устройств с транспортной мобильной системой также представляет серьезную проблему. В свете изложенного, создание мобильных роботов, способных перемещаться по вертикальным и более сложным поверхностям, является фундаментальной механической проблемой, имеющей разнообразные приложения. Развитие научного направления по созданию мобильных комбинированных роботов вертикального и горизонтального перемещения с развитой сенсорной системой обеспечивает дополнительные свойства, связанные с автоматическим принятием решений о дальнейшем движении в неполностью детерминированных средах н экстремальных ситуациях. В этих случаях мобильные сложные робот отехническис системы обладают элементами искусственного интеллекта. Поэтому супервнзор-ное управление, которое применяется в настоящее время, по мере развития сенсорной системы робота будет постепенно заменяться более сложным управлением, обеспечивающим решение поставленных задач в изменяющихся или в экстремальных условиях. Принципиально реализация механического перемещения транспортного модуля по вертикальной поверхности может быть осуществлена следующими способами. Первый способ - шаговый дискретный. Он предполагает дискретные перемещения платформы робота на заданный шаг. в интервале между которыми происходит фиксация одной группы захватных устройств и освобождение другой группы. Подвидами этого способа являются шаговый дискретный способ с нерегулируемой скоростью перемещения и шаговый дискретный способ с регулируемой скоростью перемещения внутри одного шага. Преимуществами данного способа является простота реализации и надежность функционирования. Недостатки - низкое быстродействие и ограниченные функциональные возможности. Этим способом нельзя реализовать непрерывную скорость движения платформы робота. Второй способ перемещения по вертикальной поверхности - шаговый непрерывный. Он позволяет производить непрерывное перемещение платформы робота в шаговом режиме, при котором фиксация одной группы захватных устройств и освобождение другой группы происходит без прерывания движения платформы. При этом способе расширяются функциональные возможности робота за счет получения непрерывной скорости движения платформы робота, а, следовательно, и установленного на ней технологического оборудования. Однако повышается сложность алгоритма и системы управления. Третий способ - гусеничный. Он предполагает получение непрерывной скорости движения платформы робота за счет использования гусеничного механизма. Подвидами этого способа являются способ с использованием встроенных в гусеничный механизм захватных устройств и гусеничный способ с независимым использованием захватных устройств. В последнем способе гусеничный механизм служит только для организации поступательного движения робота в пределах свободного хода привода при зафиксированных захватных устройствах относительно гусеницы. Основным преимуществом гусеничного способа передвижения является высокая проходимость и надежность перемещения. К недостаткам можно отнести увеличенную сложность и вес конструкции. Четвертый способ перемещения - антропоморфный. При этом способе передвижение осуществляется с помощью многозвенных опор, имитирующих движения живых существ, в частности, насекомых. Этот способ требует наличия большого количества степеней свободы и развитой системы управления. Сложность конструктивной реализации при этом снижает надежность функционирования комплекса в целом. Однако данный способ обеспечивает наибольшую гибкость, например, при преодолении различных препятствий, Пятый способ перемещения по вертикальным поверхностям - параллелограммный. Название способа следует из особенности его реализации, которая использует свойство параллелограмма, заключающееся в возможности поочередного перемещения его параллельных сторон при их шарнирном соединении. В этом случае отпадает необходимость использования двух платформ, что в сочетании с отсутствием приводов подъема и опускания захватных устройств обуславливает простоту и легкость конструкции. При фиксации с помощью захватных устройств одной стороны параллелограмма, вторая сторона перемещается в заданном направлении, перенося закрепленные на ней свободные захватные устройства путем скольжения вдоль поверхности перемещения. Такой способ обеспечивает максимальную скорость движения, но имеет сравнительно невысокую надежность и ограниченные возможности в смысле технологических применений, поскольку здесь нет несущей рабочей платформы. Кроме того, эта конструкция обладает недостаточной жесткостью и небольшой грузоподъемностью. Шестой способ - движение с помощью скользящего уплотнения, когда сила прижима к поверхности стены осуществляется за счет действия перепада давлений между окружающей средой и внутри специальной вакуумной камеры, а движение осуществляется посредством колесного привода. Такое решение обеспечивает повышенную скорость, маневренность и проходимость по поверхностям, покрытым таким строительным материалом, как, например, керамическая плитка. Один из методов повышения маневренности и увеличения выполняемых функций состоит в том, что в созданный мобильный робототехнический комплекс включены автоматически управляемый робот горизонтального перемещения, установленный на нем робот вертикального перемещения, манипулятор для сцепления робота вертикального перемещения с поверхностью. Управление комплексом может осуществляться от единого пульта, в автономном, в супервизорном или в автоматическом режимах. Пульт управления находится в отдельном помещении на безопасном расстоянии от места выполнения работ роботом в некоторой экстремальной среде. В данной монографии приводятся результаты некоторых исследований, и разработок, выполненных в Институте проблем механики РАН во взаимодействии с другими организациями, относящихся к проблеме создания мобильных роботов вертикального перемещения, а именно: реализация механических перемещений по вертикальным поверхностям различными методами, развитие теории систем пневматических и пневмоэлектрических приводов применительно к рассматриваемому классу роботов, теоретические предпосылки и методы расчета систем таких приводов, разработанные принципиальные и конструктивные схемы приводов, моделирование движения, исследование маневренности и проходимости, анализ механических систем для эффективного выполнения различных технологических операций, в том числе при переходе с одной поверхности на другую, исследование и разработка вакуумных захватных устройств. Авторы выражают благодарность Ф.Л. Черноусько и Н.Н. Болотнику за значительный вклад в теоретическую проработку вопросов расчета ТРВП, а также В.Б. Вешникову, С.В. Калиниченко, JI.H. Кравчуку, Е.А. Семенову, А.И. Демяшову, Е.В. Соловцовой и Т.П. Хрусталевой за помощь в экспериментальных исследованиях и в подготовке монографии к изданию. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ |
