WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Аль-Кхаиит Саад Загхлюл Саид

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МАНИПУЛЯТОРАМИ

С УПРУГИМИ ЗВЕНЬЯМИ

Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника

и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Ростовская государственная академия

сельхозмашиностроения

Защита состоится 4 декабря 2009г. В 9.00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд.107 глав. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте
ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан « 3 » ноября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы все большее внимание привлекает к себе применение манипуляторов облегченной конструкции с упругими звеньями. Прежде всего, здесь следует упомянуть выполнение манипуляционных технологических операций с объектами в труднодоступных или опасных для здоровья и жизни человека местах, когда требуются манипуляторы с большим вылетом руки, но с ограниченной массой. Однако уменьшение массы конструкции манипулятора за счет использования облегченных упругих звеньев является источником ряда негативных факторов. Упругие прогибы от действия внешних нагрузок и сил тяжести, а также колебания звеньев, возникающие при движении упругого звена, не позволяют точно переместить рабочий орган в заданную точку пространства и увеличивают время переходного процесса при движении рабочего органа из одной точки в другую. В результате управляемость и быстродействие упругого манипулятора значительно снижаются, что ограничивает возможности его использования. Таким образом, создание систем эффективного управления манипуляторами с упругими звеньями является актуальной научно-технической проблемой.

В настоящее время, как правило, в основе принципов построения систем управления манипуляторами с упругими звеньями лежат методы расчета управляющего сигнала – вращающего момента, позволящего осуществлять перемещение манипулятора с учетом деформаций и колебаний, обусловленных упругостью составляющих его звеньев. Сигналы управления крутящим моментом рассчитываются для перемещения рабочего органа манипулятора по заданной траектории без его существенных колебаний.

Научные исследования в этом направлении получили широкое распространение как в России, так и за рубежом. Они базируются на трудах ученых И.М. Макарова, Е.И. Юревича, В.М. Лохина, Ю.В. Подураева, А.А. Лукьянова, Ф.М. Кулакова, А.Е. Дитковского, Ю.Н. Санкина, С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко, Ф.Л. Черноусько, Н.Н. Болотника, В.Г. Градецкого,J.B. Jonker, E. Bayo, M.A. Serna, R.G.K.M. Aarts, A. Jnifene и W.R. Andrews, J.Cheong, W.K. Chung, Y. Youm Ges, L.C.S. Negro, R.G. Rios, W. Neto и др.

Стремительный рост ресурсов и быстродействия средств вычислительной техники позволяет осуществлять управление перемещением манипулятора с заданной точностью и допустимой амплитудой колебаний в режиме реального времени. Достичь этого можно с помощью искусственных нейронных сетей, способных к самообучению, адаптации к постоянно изменяющимся условиям, и позволяющих формировать необходимые сигналы для создания исполнительных крутящих моментов. Сложные алгоритмы управления являются в данном случае непригодными к применению, так как это ведет к снижению точности.

Таким образом, для решения проблемы управления манипуляционными системами с упругими звеньями с необходимой точностью, целесообразно использовать адаптивные системы с интеллектуальными регуляторами, строящимися на базе нейронных систем, что составляет предмет данной диссертации.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного ученым советом 01.03.2006 г. и соответствует госбюджетной теме П.3.837 «Разработка принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004-2008 гг.).

Цель работы. Целью данной диссертации является разработка методов адаптивного управления манипуляторами облегченной конструкции за счет компенсации нелинейностей, обусловленных упругостью звеньев, для обеспечения перемещения рабочего органа по заданной траектории без перерегулирования и остаточных упругих колебаний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

– исследовать особенности поведения манипуляционной системы облегченной конструкции во время ее движения;

– разработать метод компенсации нелинейностей манипулятора с упругими звеньями за счет использования обучающихся в режиме реального времени нейросетей, обеспечивающий адаптивность и робастность системы управления;

– разработать метод вычисления траектории перемещения манипулятора с упругими звеньями, позволяющий корректировать заданные значения углов поворота шарниров с учетом меняющихся условий среды, и использовать их при вычислении скоростей звеньев;

– разработать метод моделирования многозвенного манипулятора с упругими звеньями;

– разработать метод адаптивного управления манипулятором с упругими звеньями в режиме реального времени на базе нейронных сетей для обеспечения перемещения схвата по заданной траектории без перерегулирования и остаточных упругих колебаний;

– разработать рекомендации по созданию систем адаптивного управления манипуляторами с упругими звеньями за счет компенсации нелинейностей звеньев.

Идея работы. Идея работы состоит в использовании интеллектуальных регуляторов, строящихся на базе нейросетей, при разработке адаптивной системы управления, работающей в режиме реального времени и способной к плавному ведению манипулятора с упругими звеньями по заданной траектории без перерегулирования и остаточных упругих колебаний.

Методы исследования. В работе использованы методы классической механики, математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического и динамического анализа, нейронных сетей, классической и современной теории автоматического управления, синергетики, мехатроники и робототехники, дискретного интегрирования, экспериментальных исследований на физической модели с аналитической обработкой результатов на ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

– метод компенсации нелинейностей манипулятора с упругими звеньями за счет использования обучающихся в режиме реального времени нейросетей c радиальной базисной функцией, реализующей стратегию обновления “активного“ нейрона и параметров его функции активации;

– метод вычисления траектории перемещения манипулятора с упругими звеньями, позволяющий корректировать заданные значения углов поворота шарниров и использовать их при вычислении скоростей звеньев;

– метод рекурсивной процедуры, позволяющий моделировать поведение многозвенного манипулятора с упругими звеньями, заключающийся в вычислении реакций от конечного звена к начальному, предусматривающий использование отдельного регулятора для каждого звена с целью корректировки траектории их движения исходя из перемещения концевой точки и поворота поперечного сечения предыдущего звена;

– метод адаптивного управления манипулятором с упругими звеньями в режиме реального времени на базе нейронных сетей для обеспечения перемещения схвата по заданной траектории без перерегулирования и остаточных упругих колебаний, заключающийся в использовании в цепи обратной связи регулятора значения разницы между движением жесткого звена и упругим отклонением концевой точки.

Научная новизна работы заключается в разработке:

– метода построения нейрокомпенсатора нелинейностей системы робота, заключающегося в том, что в качестве входных воздействий нейросети используются заданные и реальные значения положения и скоростей в шарнирах, обучение нейросети происходит в режиме реального времени, осуществляется обновление параметров только активного нейрона и применяется стратегия усечения нейросети для минимизации количества нейронов;

– метода вычисления траектории перемещения манипулятора с упругими звеньями, характеризующегося тем, что корректируются значения углов поворота шарниров упругих звеньев с учетом влияния внешних воздействий, а скорректированные значения углов используются при вычислении скоростей;

– метода моделирования манипулятора с упругими звеньями, заключающегося в использовании рекурсивной процедуры, суть которой состоит в вычислении реакций от конечного звена к начальному, использовании отдельного регулятора для каждого звена, коррекции траектории упругого звена с учетом перемещения концевой точки и поворота поперечного сечения предыдущего звена;

– метода адаптивного управления манипулятором с упругими звеньями в режиме реального времени на базе нейронных сетей для обеспечения перемещения схвата по заданной траектории без перерегулирования и остаточных упругих колебаний, отличающегося использованием в цепи обратной связи регулятора значения полного смещения концевой точки, полученного как разность между движением жесткого звена и упругого отклонения концевой точки.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, классической теории управления и электропривода, корректными допущениями при составлении математических моделей и подтверждается данными экспериментов на модели упругого звена, результатами физического и компьютерного моделирования. Расхождение результатов не превысило 10 %.

Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации математические модели, методы синтеза и управления представляют собой методологические основы для разработки обучаемых манипуляционных систем с упругими звеньями, отличающихся возможностью самонастройки, расширяющих возможности применения манипуляторов.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методы, модели и алгоритмы позволяют использовать манипуляторы с упругими звеньями без потери точности и быстродействия в различных отраслях промышленности и сферы обслуживания там, где применение промышленных роботов является невозможным. Прикладная значимость результатов заключается в следующем:

  • разработанные методы и алгоритмы управления манипулятором с упругими звеньями позволяют реализовывать заданную ему траекторию перемещения без перерегулирования и колебаний схвата;
  • разработаные рекомендации по созданию систем адаптивного управления манипуляторами с упругими звеньями за счет компенсации нелинейностей звеньев позволяют обоснованно, в зависимости от конструктивных параметров манипулятора, выбирать адаптивную систему управления и способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;
  • разработанный программный пакет позволяет решать задачи построения работающих в режиме реального времени систем адаптивного управления манипуляторами с упругими звеньями.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию в ОАО «ВЭлНИИ» (г. Новочеркасск Ростовской обл.). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальностей 22040165 «Мехатроника» и 22040265 «Роботы и робототехнические системы».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), 53-м международном научном коллоквиуме «Prospects in Mechanical Engineering» (Ильменау, 2008 г.), международном научно-практическом коллоквиуме «мехатроника-2008» (Новочеркасск, 2008 г.), 2-й Российской мультиконференции по проблемам управления (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор»,2008), 58-й научной конференции ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2009 г.), международном научно-практическом коллоквиуме «мехатроника-2009» (Новочеркасск, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 статьях, в том числе шесть в изданиях, рекомендованных ВАК, получены одно свидетельство на полезную модель и одно положительное решение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы машинописного текста, содержит 57 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 123 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их научно-практическое значение.

В первой главе проанализирована современная концепция и методы конструирования манипуляторов с упругими звеньями, приведены их достоинства и недостатки, рассмотрены используемые принципы и методы управления.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»