Структурная организация строительных роботов
Д.Я. Паршин
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
И РОБОТОТЕХНИКИ
ЛЕКЦИИ
Раздел «Роботизация технологических
Процессов»
Ростов-на-Дону
Основы робототехники и роботизации процессов
Основные понятия и определения робототехники
Робототехника — это одно из важнейших направлений научно-технического прогресса, которое получило интенсивное развитие в последнее десятилетие. В настоящее время робототехника сформировалась как область науки и техники, которая занимается разработкой методов расчета и анализом работы манипуляторов и роботов различного назначения, их созданием, а также автоматизированных на их основе объектов и процессов.
В последние годы получило становление и развитие одно из направлений прикладной робототехники – строительная робототехника, основными задачами которой является создание и внедрение манипуляторов, роботов и на их базе – комплексов оборудования в строительстве и строительной индустрии, а также анализ экономических и социальных проблем их применения. В настоящее время специалистами многих стран проводятся работы, направленные на внедрение средств робототехники в строительство и вывод ее на передовой технический уровень. Это способствует формированию строительной робототехники как самостоятельной дисциплины.
Предметом исследований и разработок робототехники является принципиально новый класс машин и автоматов, обладающих многофункциональностью механических действий и универсальностью выполняемых операций. Такие универсальные автоматические машины многоцелевого назначения, которые в процессе работы воспроизводят подобие двигательных или интеллектуальных функций человека, называются роботами. Наибольшее распространение при автоматизации производственных операций получили так называемые промышленные роботы.
Промышленный робот -это стационарная или передвижная автоматическая машина, представляющая собой совокупность манипулятора и перепрограммируемого устройства управления и выполняющая в производственном процессе двигательные и управляющие функции. Таким образом, одним из отличительных признаков промышленных роботов является наличие одного или нескольких манипуляторов. Строительные роботы следует рассматривать как разновидность промышленных роботов, предназначенных для выполнения операций строительного процесса.
Промышленные роботы характеризуются универсальностью и гибкостью. Под универсальностью роботов понимается возможность выполнения ими многих операций технологического процесса, в том числе и вспомогательных. Универсальность промышленных роботов достигается степенью подвижности манипуляторов и конструкцией рабочих органов. Гибкость управления определяется быстротой их перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции.
Новый этап производства, характеризуемый использованием при технологических операциях промышленных роботов, обладающих многофункциональностью механических действий, называется роботизацией производства. Роботизация строительного производства является одним из основных путей повышения темпов развития строительства, усиления его интенсификации и ускорения научно-технического прогресса. Она служит крупным резервом резкого сокращения ручного труда и повышения качества производства работ в строительстве.
На предприятиях стройиндустрии, а также на строительных площадках роботы могут объединяться с другим технологическим оборудованием в технологический комплекс. Автономно функционирующая в едином цикле совокупность технологического оборудования и промышленного или строительного робота называется роботизированным технологическим комплексом (РТК).
Перспективным направлением дальнейшего совершенствования технической и технологической базы в стройиндустрии является создание гибких автоматизированных систем (ГПС), которые в общем случае представляют собой совокупность программно-управляемого технологического оборудования, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени. Внедрение ГПС основано на широком использовании средств автоматизации, микропроцессорных систем управления, роботов и РТК. Разновидностью ГПСявляется гибкий автоматизированный участок (ГАУ), в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
Структурная организация строительных роботов
![]() |
Промышленным и строительным роботам свойственно активное и целенаправленное взаимодействие с внешней средой. Это достигается за счет структурной организации робота, которая определяется назначением, характером технологических операций, видом движений в рабочей зоне, требованиями к грузоподъемности и точности позиционирования. Однако независимо от этого в общем виде состав строительного робота как промышленного можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис.2.1.
Исполнительное устройство – это основа любого робота, которая обеспечивает выполнение всех его двигательных функций и взаимодействие с объектами роботизации на базе управляющих воздействий, формируемых устройством управления. Оно включает манипулятор и устройство передвижения.
Манипулятор перемещает рабочий орган в соответствии с заданными законами движения, определяемыми технологическими требованиями. В общем случае он представляет собой многозвенный механизм, который может состоять из ряда кинематических пар с вращательным или поступательным перемещением. Для приведения в действия звеньев манипулятора используют гидравлические, электромеханические или пневматические приводы.
Основными характеристиками манипуляторов являются число степеней подвижности, маневренность, грузоподъемность. Строительные манипуляторы в большинстве случаев должны обеспечивать поступательные движения рабочих органов по трем координатам; их поворот вокруг одной, двух или трех осей; вращательные движения относительно одной оси с одновременным поступательным перемещением относительно двух других или два вращательных и одно поступательное в радиальном направлении.
Манипуляторы снабжаются рабочим органом, который служит для непосредственного взаимодействия с объектом роботизации или выполнения различных технологических операций. В качестве рабочего органа в промышленных и строительных роботах могут быть захватные устройства либо специальный рабочий инструмент. Захватные устройства обеспечивают взятие и удержание в определенном положении объектов манипулирования. В зависимости от способа захвата и удержания объектов различают механические, электромагнитные, вакуумные и комбинированные захватные устройства. Захватные устройства могут снабжаться специальными датчиками, дающими информацию о взятии и установке предмета, усилии сжатия, скорости перемещения, положении охвата относительно объекта манипулирования и т. д. Такие захватные устройства относятся к очувствленным
Важной составной частью мобильных роботов является устройство передвижения. В общем случае мобильные промышленные и строительные роботы могут иметь колесные, гусеничные, монорельсовые, на воздушной подушке и другие устройства передвижения. В строительной индустрии для роботизации основных технологических процессов возникает необходимость использования монорельсовых или мостовых устройств передвижения. Представляет интерес создание устройств передвижения строительных роботов (отделочных, сборочных и др.), которые обеспечили бы возможность перемещения по лестничным переходам с этажа на этаж.
Важное значение для строительных роботов имеет компоновка исполнительного устройства. При размещении манипуляторов на устройстве передвижения обязательно учитываются особенности технологии выполнения работ, ограниченность пространства на строительных объектах, необходимость перемещения через узкие дверные проемы и ряд других факторов.
Устройство управления строительных роботов предназначено для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительному устройству в соответствии с управляющей программой. Оно обеспечивает логическую последовательность действий робота, автоматическую работу исполнительного устройства по заданной программе, а также осуществляет связь между действиями манипулятора и обслуживаемого им оборудования. В зависимости от вида устройств управления может обеспечиваться дистанционный, полуавтоматический или автоматический режим работы строительных роботов. Устройства управления в общем случае содержат измерительные, вычислительные, запоминающие и выходные элементы. Измерительные элементы выполняют сбор, первичную обработку и передачу в систему управления информации о функционировании узлов и механизмов робота и о состоянии среды. В их состав входят датчики, которые собирают информацию о положении звеньев манипулятора, состоянии рабочего органа, статических и динамических нагрузках, скоростях перемещения, а также информацию об объекте манипулирования и состоянии технологического оборудования. Устройства для сбора внешней информации называют сенсорными, которые могут быть осязательными (тактильными), световыми, локационными, силоизмерительными, визуальными и др.
Вычислительные и запоминающие устройства служат для обработки и хранения информации. В вычислительном устройстве реализуется алгоритм управления роботом и обрабатывается измерительная информация, а в запоминающем устройстве хранится программа функционирования робота при выполнении определенных технологических операций, а также порядок взаимодействия блоков устройства управления, исходные данные и другая информация. Устройства управления в основном реализуются на микроЭВМ или микроконтроллерах. Выходные устройства служат для передачи команд на исполнительные приводы манипулятора и устройства передвижения, которые по отношению к системам управления являются объектами управления.
Комплекс средств общения с оператором необходимо рассматривать как составную часть устройства управления. Пульты ручного управления обеспечивают ввод в управляющее устройство задания в виде программы или отдельных команд, обучение робота, дистанционное и ручное управление манипулятором, рабочим органом и устройством передвижения, а также контроль правильности выполнения задания. Общение человека-оператора с устройством управления выполняется с помощью элементарных команд с пульта управления либо с помощью специального языка общения. Управление роботом осуществляется на основании управляющей программы, которая представляет собой совокупность команд, определяющих заданную последовательность функционирования робота, а также его взаимодействие с обслуживаемым технологическим оборудованием.
Строительные роботы в зависимости от своего назначения могут иметь структурную организацию, отличающуюся от рассмотренной структуры наличием различного рода дополнительных устройств. В их состав могут входить наряду с основным манипулятором один или несколько вспомогательных манипуляционных устройств Отдельные виды строительных роботов могут иметь два и более синхронно работающих манипулятора, выполняющих операции с одним и тем же объектом манипулирования. Для выполнения отделочных работ роботы могут содержать несколько манипуляторов с различными рабочими органами, работающих по общей программе или независимым программам управления. Кроме того, специализированные монтажные и отделочные роботы могут снабжаться набором сменного рабочего инструмента и специальной технологической оснасткой.
На предприятиях стройиндустрии роботы обычно включаются в состав системы технологического оборудования. Поэтому в данном случае они должны рассматриваться как элементы комплексной автоматизации технологической линии. Отличительной особенностью структурной организации РТК является необходимость взаимосвязанного функционирования разнородного оборудования, входящего в состав комплекса. Это достигается путем группового управления оборудованием, обеспечивающим взаимодействие и синхрониза-цию работы различных устройств. Оборудование РТК объединяется общей системой автоматического управления, при этом устройства локального управления отдельными роботами и технологическим оборудованием составляют нижний уровень управления. Уровень управления комплекса связывает отдельные системы управления нижнего уровня, включая и устройства управления транспортными средствами, в согласованно работающий комплекс оборудования. Кроме координации работы на уровне управления комплекса может осуществляться контроль технологических режимов и исправности оборудования, синтез управляющих программ для нижнего уровня, обработка и передача информации между устройствами управления отдельным оборудованием.