Способы программирования траекторий технологических роботов

    Несмотря на очевидные недостатки промышленных роботов (ПР) первого поколения, они находят широкое применение в промышленности многих стран и интегрируются в раз­личные робототехнические комплексы (РТК) и гибкие производственные системы (ГПС). Одной из проблем эксплуатации ПР первого поколения является необходимость жесткого программирования функционирования каждого из этих устройств. Для программирования этих устройств используются методы ручного программирования или метод обучения. Эти операции достаточно трудоемки и требуют высокой квалификации операторов, обслужи­вающих данное оборудование. Кроме того, изготовители ПР самостоятельно разрабатывают языки программирования для своих роботов. Это привело к тому, что языки не соответст­вуют друг другу и не стандартизированы. В такой ситуации использование разнообразного парка ПР приводит к значительному усложнению и удорожанию обслуживания такого про­изводства. Таким образом, задача управления ПР в произвольных внешних средах является одной из ключевых задач робототехники.

Подзадача 1. Движение манипулятора к намеченной цели выполняется путем последо­вательной смены состояний манипулятора. Последовательность смены состояний ПР опре­деляет эффективность построенного плана траектории и, в конечном итоге, эффективность траектории перемещения рабочего органа манипулятора.

Планирование траектории выполняется с целью определения ключевых точек простран­ства внешней среды ПР, через которые должна проходить траектория перемещения рабочего органа ПР. Планирование траектории можно выполнять как в кинематическом режи­ме, так и в динамическом режиме. В динамическом режиме план траектории строится с уче­том динамических характеристик исполнительного механизма ПР. В кинематическом спосо­бе план траектории строится с учетом того, что коррекция будет выполняться программно на этапе управления.

Подзадача 2. Результатом работы алгоритмов построения плана траектории является таблица значений обобщенных переменных моделируемого ПР при выполнении заданной технологической операции. Эта таблица служит основой для построения функций управле­ния.

    Прямое использование этих данных для построения непрерывных функций управления приводит к значительным колебаниям рабочего инструмента при выполнении запланиро­ванной технологической операции. Это приводит к повышенному износу механизмов ПР, увеличению расхода энергоресурсов и снижению точности выполнения операции.

    Для решения этой проблемы выполняется сглаживание таблицы обобщенных перемен­ных. В основу этого метода сглаживания положена модификация метода наименьших квад­ратов, заключающаяся во введении дополнительных условий: начальная и конечная точки сглаженной траектории должны совпадать с начальным и конечном положением рабочего органа. Затем, используя любой метод аппроксимации, строятся непрерывные функции изменения обобщенной переменной в каждом приводе ПР. В дальнейшем эти функции изме­нения обобщенных переменных будут преобразованы в функции управления приводами ПР.

Подзадача 3. Проверка синтезированных функций управления выполняется путем мо­делирования функционирования ПР совместно с объектами внешней среды. Для этого ис­пользуется система автоматизированного моделирования, позволяющая проводить оценку пространственного расположения всех объектов внешней среды в процессе функционирова­ния, оценивать кинематические и динамические характеристики подвижных объектов, оце­нивать точность прохождения траектории по синтезированным функциям управления, син­хронизировать перемещения ПР и объектов внешней среды.

    Оценка пространственного расположения ПР, РТК и всех объектов внешней среды во время функционирования позволяет оценить траектории движения всех подвижных объек­тов и определить возможное соударение объектов внешней среды.

    На основе информации о пространственном расположении моделируемых объектов сред­ства визуализации позволяют построить графический образ ПР, РТК и всей внешней среды.

    В случае, если планирование траектории проводятся в кинематическом режиме, воз­можно отклонение реальной траектории перемещения рабочего органа ПР от запланирован­ной. Использование динамической модели ПР позволяет синтезировать корректирующую функцию, такую, что совместное использование основной и корректирующей функций обес­печит прохождение рабочего органа ПР по запланированной траектории.

Подзадача 4. Различные типы ПР, как правило, имеют различные системы команд. В связи с этим для каждого ПР необходимо разработать отдельную программу, переводящую синтезированные функции управления в систему команд конкретного ПР.    

    Рассмотрим способы и особенности программирования траектории технологических роботов на примере РТК механообработки.

    Выбор декартовой системы координат для задания траектории предопределен тем, что во всех рассмотренных технологических операциях необходимо управлять движением непосредственно рабочего органа относительно объекта работ. 

    ДЕКАРТОВА система координат, система, введенная Рене ДЕКАРТОМ, в которой положение точки определяется расстоянием от нее до взаимно пересекающихся линий (осей). В простейшем варианте системы оси (которые обозначаются как х и у) перпендикулярны. Положение точки задается парой чисел (х, у). Абсцисса, х, - это расстояние от точки до оси у, измеренное в направлении оси х; ордината, у, - это расстояние до оси х. Оси в этой системе не обязательно должны пересекаться под прямым углом, однако, и не должны быть параллельны одна другой. Для описания позиции точки в трехмерном пространстве необходимы три оси (дополнительно ось z).

    Применяются следующие основные способы программирования траектории:

1. обучение робота человеком-оператором с помощью дистанционного пульта;
2. автоматизированная подготовка программы на внешнем компьютере с использованием средств САПР и последующей ее загрузкой в систему управления робота;
3. метод «самообучения» робота.

    Примером современного дистанционного пульта может служить пульт управления «KUKA Control Panel» (рис.1 справа), которым оснащаются технологические роботы (рис.1 слева) АО АВТОВАЗ. Все важнейшие функции по программированию, управлению, диагностике и контролю роботов и процесса сварки выполняются с помощью панели управления KUKA (KCP). Для пользователя это означает наличие под рукой в любой момент времени всех необходимых функций и информации.

Рис. 1. Сварочный робот и пульт управления KUKA (KCP).

    Пульт изготовлен с учетом эргономических требований и выполняет функции интерфейса «человек – машина» в режимах обучения и управления движением. Пульт имеет 8-дюймовый дисплей, пленочную клавиатуру, мышь 6D для управления по шести координатам, кнопки аварийного отключения, включения/выключения приводов, переключатель режимов работы и выключатели разрешения. С помощью стандартного штекера к пульту можно дополнительно подключить клавиатуру персонального компьютера. Микроконтроллер отправляет клавиатурные данные по стандартной шине в персональный компьютер, дисплейная информация передается через высокоскоростной последовательный интерфейс.

    Метод «самообучения» предполагает предварительное прохождение инструментом детали-эталона, когда координаты точек траектории автоматически вводятся в память компьютера. Запись точки производится при касании инструмента, который выполняет роль щупа базовой поверхности детали. По сути, робот работает в этом варианте как координатно-измерительная машина (КИМ - рассмотрены в предыдущих лекциях). Компьютер обрабатывает массив полученных точек и формирует необходимое и достаточное количество опорных точек траектории. Координаты опорных точек передаются по специальному интерфейсу из компьютера в систему управления робота.

    При автоматизированном программировании пространственных траекторий одним из часто используемых графических форматов является формат, в котором содержится описание последовательности и декартовых координат опорных точек, но при этом нет описания графических примитивов (линия, окружность, сплайн). Основным недостатком данного подхода является использование линейной интерполяции для выполнения движения между точками, что неприемлемо для мехатронных систем при высоких требованиях к точности движения. Для систем этого класса следует использовать формат, содержащий графические примитивы и осуществлять интеллектуальную сегментацию  траектории, заданной простым текстовым форматом. Для проведения интеллектуальной сегментации траектории движения с целью интерполяции ее графическими примитивами используется нечеткий интерполяционный фильтр. Основным геометрическим примитивом для проводимой интерполяции является кубический сплайн, а частными его случаями является прямая линия и окружность.