Управление силовым воздействием манипуляционного робота
Предложен нетрадиционный подход к решению задачи управления силовым воздействием манипуляционного робота на контактирующую поверхность в условиях произвольного ее расположения в рабочем пространстве робота. Приведен алгоритм, обеспечивающий стабилизацию силового воздействия на желаемом уровне. The n...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100734 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Управление силовым воздействием манипуляционного робота / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 39-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859731654377996288 |
|---|---|
| author | Цыбулькин, Г.А. |
| author_facet | Цыбулькин, Г.А. |
| citation_txt | Управление силовым воздействием манипуляционного робота / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 39-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Предложен нетрадиционный подход к решению задачи управления силовым воздействием манипуляционного робота на контактирующую поверхность в условиях произвольного ее расположения в рабочем пространстве робота. Приведен алгоритм, обеспечивающий стабилизацию силового воздействия на желаемом уровне.
The non-traditional approach towards the solution of problem of control of the manipulation robot force action on contact surface under the conditions of its free location in the working space of robot has been proposed. The algorithm providing the stabilization of a force action at a desirable level has been outlined.
|
| first_indexed | 2025-12-01T13:52:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.753
УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА
Г. А. ЦЫБУЛЬКИН, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Предложен нетрадиционный подход к решению задачи управления силовым воздействием манипуляционного робота
на контактирующую поверхность в условиях произвольного ее расположения в рабочем пространстве робота.
Приведен алгоритм, обеспечивающий стабилизацию силового воздействия на желаемом уровне.
К л ю ч е в ы е с л о в а : манипуляционные роботы, обраба-
тываемое изделие, контактирующая поверхность, стабили-
зация силового воздействия, корректирующие алгоритмы
Во многих технологических операциях, выполня-
емых с помощью манипуляционных роботов, не-
обходимо осуществлять физический контакт ра-
бочего органа с обрабатываемым изделием.
Иногда, например, при зачистке прихваток перед
последующей сваркой деталей или при шлифо-
вании и последующем травлении сварных швов
с целью выявления горячих микротрещин очень
важно, чтобы в процессе выполнения таких опе-
раций рабочий орган робота был прижат к кон-
тактирующей поверхности с определенной силой.
Для обеспечения указанного режима возникает
необходимость в автоматическом управлении си-
ловым воздействием.
Известно, по крайней мере, два принципиально
различных подхода к решению данной задачи.
Первый базируется на так называемом принципе
разделения движений [1, 2], заключающимся в
том, что одну часть приводов робота-манипуля-
тора предполагается использовать для реализации
движения вдоль заданной траектории, а другую
— для организации заданного силового воздейс-
твия. Этот подход предусматривает увеличение
количества степеней свободы манипулятора за
счет введения дополнительных звеньев, что, ес-
тественно, приводит к существенному усложне-
нию робота.
В основе второго подхода лежит идея разде-
ления движений на программном уровне [3–5],
причем так, чтобы перемещение робота по за-
данной траектории и необходимое усилие на кон-
тактируемую поверхность изделия обеспечива-
лось бы одними и теми же приводами. Такой под-
ход является более привлекательным, но здесь
возникают проблемы иного рода, связанные с тем,
что информации о силовом воздействии F, пос-
тупающей от датчика (Force sensor), расположен-
ного в рабочем органе робота, иногда недоста-
точно для реализации управления данным сило-
вым воздействием. Это связано с тем, что нап-
равление силы в общем случае может не совпа-
дать с направлением одной из осей системы ко-
ординат робота, в которой программируется тра-
ектория его движения. Поэтому становится не-
ясным, как «расщеплять» получаемый сигнал о
фактическом силовом воздействии F на состав-
ляющие по координатам и как потом его кор-
ректировать.
В данной статье для решения этой задачи ис-
пользуется прием, примененный нами ранее в ра-
боте [6] для автоматической коррекции траек-
тории движения манипуляционного робота. Его
основная идея заключается в том, чтобы траек-
торию движения и необходимое усилие задавать
при программировании не в системе координат
робота (как это обычно делается), а в системе
координат, связанной с самой траекторией, ис-
пользуя так называемый репер Френе [7]. В этом
случае появляется возможность одну из коорди-
натных осей репера всегда ориентировать вдоль
предполагаемого силового воздействия, а траек-
торию движения или ее фрагменты строить в
плоскости, нормальной к выбранной оси. Для под-
держания заданного усилия на определенном
уровне теперь достаточно использовать однока-
нальную систему стабилизации, независимо от
пространственного расположения контактируе-
мой поверхности в рабочем пространстве робота.
Рассмотрим эту возможность более подробно.
Репер Френе связан с траекторией движения ро-
бота таким образом, что в каждой узловой точке
Pi (i = 1, 2, …) этой траектории ось u1 данного
репера направлена по касательной (рис. 1), ось
u2 — по главной нормали, ось u3 — по бинормали.
Вектор координат ui
R = [ui1
R , ui2
R , ui3
R ]∗, характеризу-
ющий положение некоторой точки R в системе
отсчета i-го репера Piui1ui2ui3, и вектор координат
xR = [x1
R, x2
R, x3
R]∗, характеризующий положение
этой же точки R в базовой системе отсчета робота
Ox1x2x3, связаны соотношением
© Г. А. Цыбулькин, 2009
4/2009 39
ui
R = Tix
R,
в котором матрица однородного преобразования
Ti имеет вид
Ti =
⎡
⎢
⎣
Li bi
000 1
⎤
⎥
⎦
,
где Li — ортогональная матрица, задающая ори-
ентацию репера Френе; bi — вектор-столбец, оп-
ределяющий положение начала координат этого
репера относительно системы отсчета Ox1x2x3.
Знак (*) в верхнем правом углу обозначает опе-
рацию транспонирования.
Что касается связи между координатами точки
R, определенными в базовой системе отсчета, и
управляемыми (или так называемыми обобщен-
ными) координатами робота qj, j = 1, 2, …, n,
то она задается соотношением xR = A(qR), где
qR = [q1
R, q2
R, … , qn
R]∗; n — количество степеней
свободы манипулятора; A(⋅) — вектор-функция,
порождаемая его кинематикой.
Теперь очевидно, что если рабочий орган ро-
бота сориентировать так, чтобы его осевая линия
и силовое воздействие F(t) были направлены па-
раллельно оси u3 (рис. 1), то появляется реальная
возможность осуществлять управление этим си-
ловым воздействием путем изменения одной
лишь координаты u3. Связь между силовым воз-
действием F(t) и положением рабочего органа от-
носительно контактирующей поверхности можно
выразить в виде соотношения
F(t) =
⎧
⎨
⎩
⎪
⎪
0 при u3
R(t) ≥ u30
R ,
–Ku3
R(t) + F∗ при u3
R(t) < u30
R ,
(1)
где u3
R(t), u30
R — координаты точки R (располо-
женной, например, на рабочем органе), характе-
ризующие соответственно ее текущее и заданное
положения относительно плоскости u1u2; K, F* —
положительные константы; t — текущее время
(предполагается, что рабочий орган обладает не-
обходимой степенью податливости, характери-
зуемой величиной K–1).
Следует заметить, что в процессе движения
робота по контактирующей поверхности будут
возникать еще и силы трения, но поскольку они
направлены по касательной к траектории движе-
ния, т. е. перпендикулярно к координате u3, в этой
задаче они рассматриваться не будут. Отклонение
Δu3
R(t) = u3
R(t) – u30
R может быть определено в лю-
бой момент времени t путем измерения с по-
мощью какого-либо датчика соответствующих
расстояний d(t) и d0 между точкой R и контак-
тируемой поверхностью, т. е. Δu3
R(t) = d(t) – d0.
Следовательно, для синтеза закона управления си-
ловым воздействием F(t) согласно (1) можно вос-
пользоваться очевидным равенством
d(t) – d0 = –K(F(t) – F0), (2)
где F0 — заданное значение F(t).
Задачу управления силовым воздействием F(t)
сформулируем теперь в виде простого требования
| d(t) – d0 | ≤ ε, (3)
гарантирующего стабилизацию силового воздейс-
твия на желаемом уровне: | F(t) – F0 | ≤ εK–1, где
ε — положительная величина.
Геометрически соотношение (3) задает в трех-
мерном пространстве слой толщиной 2ε, распо-
ложенный между двумя плоскостями уровня u30 +
+ ε и u30 – ε в системе координат Френе. Поэтому
сформулированная выше задача может быть ин-
терпретирована как задача стабилизации движе-
ния характеристической точки R внутри указан-
ного слоя.
Итак, для стабилизации усилия на контакти-
рующую поверхность в процессе движения робота
по заданной траектории достаточно располагать
информацией о текущем расстоянии d(t) от точки
R до контактирующей поверхности, а также ал-
горитмом корректирующего управления движени-
ем робота по координате u3.
Оснащение манипуляционного робота датчи-
ком расстояния обычно не вызывает принципи-
альных затруднений. Что же касается построения
алгоритма коррекции силового воздействия, то
оно во многом определяется возможностями прог-
раммного обеспечения конкретного манипуля-
ционного робота. В частности, для роботов се-
мейства PUMA, программное обеспечение кото-
Рис. 1. Схематическое изображение манипуляционного робо-
та антропоморфного типа с шестью степенями свободы, вза-
имодействующего с внешней средой: 1 — рабочий орган
робота; 2 — контактирующая поверхность (обозначения см.
в тексте)
40 4/2009
рых не поддерживает некоторых операций над
координатами, закон стабилизирующего управле-
ния предпочтительнее строить в виде рекуррен-
тного соотношения
u3(k) = u3(k – 1) + Δu3(k), (4)
где
Δu3(k) =
⎧
⎨
⎩
⎪
⎪
h при d(k – 1) < d0 – ε,
–h при d(k – 1) > d0 + ε,
0 при d0 – ε < d(k – 1) < d0 + ε.
(5)
Здесь h — длина шага коррекции (h ≤ ε), k =
= 1, 2, … — индекс, характеризующий дискрет-
ное время.
Проверка алгоритма (4), (5) на лабораторном
робототехническом комплексе подтвердила его
достаточно высокую эффективность. Стабилиза-
ция силового воздействия F(t) происходит дово-
льно просто: по результатам измерения расстоя-
ния d на каждом предыдущем такте (k – 1) сог-
ласно выражению (4) корректируется текущее по-
ложение рабочего органа u3(k) относительно кон-
тактирующей поверхности. При этом с учетом вы-
ражения (2) соответственно корректируется и си-
ловое воздействие F(t).
Следует заметить, что при необходимости ал-
горитм (5) можно несколько улучшить, вводя
вместо постоянной длины шага коррекции h шаг
с адаптивно изменяющейся длиной. Но в этом
случае из-за существенного увеличения количес-
тва вычислительных операций могут возникнуть
некоторые ограничения на скорость перемещения
рабочего органа вдоль заданных траекторий.
Таким образом, использовав репер Френе на
этапе программирования движений робота, можно
довольно просто решить задачу стабилизации си-
лового воздействия рабочего органа на контак-
тирующую поверхность в процессе его переме-
щения по заданным траекториям. Структура сис-
темы управления роботом с контуром стабили-
зации показана на рис. 2.
Отличительной особенностью предлагаемой
схемы стабилизации является то, что она позво-
ляет при необходимости одновременно и неза-
висимо проводить еще и коррекцию самой
траектории движения рабочего органа робота в
плоскости u1u2 системы координат Френе. Такая
необходимость может возникнуть, например, в
том случае, когда из-за значительных сил трения
между рабочим органом и контактирующей по-
верхностью, о которых говорилось выше, факти-
ческая траектория движения рабочего органа
недопустимо отклоняется от программно задан-
ной траектории.
1. Цыбулькин Г. А. Двухуровневое координирующее управ-
ление манипуляционным роботом с кинематической из-
быточностью // Пробл. управления и информатики. —
1995. — № 3. — С. 143–150.
2. Куафе Ф. Взаимодействие робота с внешней средой /
Пер. с фр. — М.: Мир, 1985. — 360 с.
3. Whitney D. E. Historical perspective and state of the art in
robot force control // Proc. оf intern. conf. on robotics and
automation, 1985. — P. 262–268.
4. Clamroch H., Wang D. Linear feedback control of position
and contact force for a nonlinear constrained mechanism // J.
Dyn. Syst. Meas. and Contr. — 1990. — 112, № 4. —
P. 640–645.
5. Zheng Y. F., Fan Y. Robot force sensor interacting with envi-
ronments // IEEE Trans. Rob. and Autom. — 1991. — 7,
№ 1. — P. 156–164.
6. Цыбулькин Г. А. Ситуационные алгоритмы автоматичес-
кой коррекции траектории движения робота в процессе
дуговой сварки // Автомат. сварка. — 2000. — № 11. —
С. 11–14.
7. Дубровин Б. А., Новиков С. П., Фоменко А. Т. Современ-
ная геометрия: Методы и предложения. — М.: Наука,
1986. — 760 с.
The non-traditional approach is proposed to solve the problem of controlling the force effect exerted by a manipulation
robot on the contact surface under conditions of its arbitrary location in the robot work space. The algorithm providing a
desirable level of stabilisation of the force effect is given.
Поступила в редакцию 09.02.2009
Рис. 2. Структура системы управления роботом с контуром
стабилизации силового воздействия: 1 — рабочий орган ро-
бота; 2 — контактирующая поверхность; q∗
R — вектор коор-
динат фактического положения рабочего органа; W —
матрица передаточных функций локальных воспроизводя-
щих систем манипулятора; G(uR) = 0 — программно заданная
траектория движения рабочего органа
4/2009 41
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100734 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T13:52:50Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цыбулькин, Г.А. 2016-05-26T17:26:06Z 2016-05-26T17:26:06Z 2009 Управление силовым воздействием манипуляционного робота / Г.А. Цыбулькин // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 39-41. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100734 621.791.753 Предложен нетрадиционный подход к решению задачи управления силовым воздействием манипуляционного робота на контактирующую поверхность в условиях произвольного ее расположения в рабочем пространстве робота. Приведен алгоритм, обеспечивающий стабилизацию силового воздействия на желаемом уровне. The non-traditional approach towards the solution of problem of control of the manipulation robot force action on contact surface under the conditions of its free location in the working space of robot has been proposed. The algorithm providing the stabilization of a force action at a desirable level has been outlined. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Управление силовым воздействием манипуляционного робота Control of manipulation robot force action Article published earlier |
| spellingShingle | Управление силовым воздействием манипуляционного робота Цыбулькин, Г.А. Производственный раздел |
| title | Управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| title_alt | Control of manipulation robot force action |
| title_full | Управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| title_fullStr | Управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| title_full_unstemmed | Управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| title_short | Управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| title_sort | управление силовым воздействием манипуляционного робота |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100734 |
| work_keys_str_mv | AT cybulʹkinga upravleniesilovymvozdeistviemmanipulâcionnogorobota AT cybulʹkinga controlofmanipulationrobotforceaction |