Курс робототехники

Авторы: Шахинпур Мо

Перевод с английского: Дмитриев С. С.

Редактор перевода: кандидат технических наук Зенкевич С. Л.

Москва, Мир, 1990, 527 с.

В книге специалиста из США представлены фактически все основные разделы робототехники: кинематика и динамика исполнительных механизмов, управление приводами, сенсорные системы, программирование роботов на проблемно-ориентированных языках. Излагаемый материал иллюстрируется большим количеством примеров. Приводятся задачи для самостоятельного решения.

Для научных работников и инженеров, специализирующихся в области робототехники, а также студентов старших курсов соответствующих специальностей вузов.

Предисловие, краткое описание

Эта книга была написана как начальный курс по робототехнике для студентов инженерных специальностей. Робототехника представляет собой исследование и функциональное проектирование роботов, манипуляторов и гибких производственных систем. Книга появилась в результате чтения лекций по курсу «Основы робототехники. Проектирование и управление промышленными роботами» для студентов и аспирантов. Одной из причин написания книги явилось то, что эта тематика представляет для автора большой интерес; однако, пожалуй, основными причинами были растущее понимание профессорами важности изучения робототехники в университетах, а также необходимость повышения производительности труда. Робототехника — сложный предмет и требует разнообразных технических знаний. Все, для кого эта книга будет первым учебником по робототехнике, должны иметь хорошие знания в таких областях, как статика, аналитическая динамика, теория механизмов и машин, управление, дифференциальное исчисление, матричный анализ, программирование, цифровая электроника, микропроцессорная техника. В книге описывается также применение теории связных графов для моделирования динамики робототехнических систем в расчете на студентов, которые знакомы с моделированием сложных систем с помощью связных графов. Робототехника включает такие специфические дисциплины, как проектирование преобразователей, анализ сцен и очувствление. Эти области образуют фундамент для практического использования результатов, полученных в области робототехники. Многие специалисты-робототехники согласны с тем, что робототехника охватывает больше математических дисциплин, чем любая другая инженерная дисциплина. Пожалуй, единственной областью, сравнимой в этом смысле с робототехникой, является инженерное проектирование.

В каждой главе используются результаты, полученные в предыдущих главах, поэтому лучше всего читать книгу в том порядке, в каком она написана.

В гл. 1 дано общее введение в робототехнику. В ней описаны манипуляционные роботы, управляемые от компьютеров, указаны области их применения, дана история эволюционного и революционного развития робототехники, рассмотрены геометрия манипулятора и его рабочего пространства, конструкции запястья и кисти, система приводов манипулятора, подчеркнута важность таких понятий, как разрешающая способность, точность и повторяемость, а также приведено несколько примеров и задач. Материал, изложенный в этой главе, необходим студентам, чтобы познакомиться с основами робототехники и тенденцией ее развития. Остальные главы расположены в соответствии со следующим принципом:

Целью инженерного образования является подготовка для деятельности, связанной с анализом и проектированием или конструированием и производством с полным знанием соответствующих структур, устройств и процессов.

В гл. 2 рассматривается кинематика манипуляторов, подчеркивается важность преобразований координат. Описаны однородные преобразования координат и представление Денавита—Хартенберга. Для того чтобы показать студентам важность кинематики в робототехнике, глубоко рассматриваются прямая и обратная задачи кинематики. Представлено большое число иллюстративных примеров для различных типов роботов. Решено много обратных задач кинематики, которые очень важны в автоматизированном производстве.

Глава 3 знакомит студентов с дифференциальными преобразованиями, которые необходимы тогда, когда мы встречаемся с подвижными объектами и подвижным манипулятором. Это важная глава, в которой основное внимание уделяется рассмотрению проблем, связанных с задачами слежения в робототехнике, когда цифровая телевизионная камера установлена либо непосредственно на манипуляторе, либо где-то в другом месте. Здесь, как и ранее, приводится несколько примеров.

Глава 4 посвящена рассмотрению математических аспектов рабочего пространства и рабочей поверхности манипулятора, ограничений, имеющих место на границах рабочих зон сочленений манипулятора, а также вопросам построения рабочих пространств. Детально обсуждается планирование траектории манипулятора, описывается общий алгоритм построения полиномиальных траекторий, а также приводятся соответствующие данные для манипулятора с шестью степенями подвижности. Важно, что студенты, получая небольшие теоретические знания относительно построения рабочих пространств, планирования траекторий и формирования описания заданий для робота, должны самостоятельно решать много задач, связанных с этими вопросами.

Динамика манипуляционных роботов описана в гл. 5. Это чрезвычайно важная и сложная тема робототехники. В курсе основ робототехники, который читается студентам, большую часть этой главы можно опустить. Однако для аспирантов, специализирующихся в области проектирования и управления промышленными роботами, эта глава должна быть прочитана полностью. Причина состоит в том, что для студентов материал этой главы очень сложен для восприятия. Для того чтобы скомпенсировать недостаток знаний в этой области, студентам следует предложить провести практические занятия в робототехнической лаборатории. В этой главе рассматриваются также три различных метода получения уравнений динамики манипуляторов. Первый и, по-видимому, самый простой метод — это использование связных графов. Он пробует некоторого предварительного знакомства с моделированием сложных систем на основе связных графов (которого некоторые студенты могут не иметь). Этот метод применяется далее с целью получения уравнений динамики для некоторых манипуляторов. Затем описывается метод Лагранжа и приводится несколько примеров его использования. Далее детально рассматривается метод Ньютона—Эйлера и, кроме того, обсуждается значение рекурсивных уравнений и решается несколько иллюстративных задач. Рассматривается также обратная задача динамики и се связь с обратной задачей кинематики.

В гл. 6 главное внимание уделяется управлению движением манипулятора, его скоростью и ускорением. Очевидно, что управление роботом составляет основу гибкой автоматизации, и поэтому оно заслуживает детального рассмотрения. Задачи управления роботом являются в основном нелинейными, и поэтому они трудны для студентов. Однако эти задачи рассматриваются здесь на уровне, доступном как для студентов, так и для аспирантов. Сначала обсуждаются разомкнутые и замкнутые системы управления манипуляторами, а затем описывается способ управления по ошибке. Далее приводится структура усилителя, описываются обобщенный алгоритм управления медленными движениями манипулятора, а также методы, связанные с управлением моментом. После этого обсуждаются важные проблемы управления координированными движениями сочленений. В конце главы описываются методы управления моментом в сочленении манипулятора. В целом эта глава является обязательной частью любого современного учебника по робототехнике, и описанный в ней подход может быть использован для начального курса робототехники.

В гл. 7 обсуждаются такие важные для робототехники понятия, как силы, мо-менты, а также обратные задачи статики и податливое движение манипулятора. Эти темы являются очень важными для проектирования манипуляторов с высокой нагрузочной способностью и обладающих гибкостью по отношению к возмущающим силам, появляющимся при выполнении сборочных операций. Данная глава также должна быть включена в любой вводный курс по робототехнике. Проблема податливости не может быть не рассмотрена, и ей должен быть предоставлен высший приоритет. Это достигается в главе за счет решения большого количества задач. В эту главу включены также такие вопросы, как равновесие сил и моментов, обратная задача статики, податливость, кинематически ограниченные движения и силомоментные сенсорные системы. В конце главы рассматриваются вопросы, связанные с заклиниванием, а также приведен критерий заклинивания Симуновича.

В гл. 8 описываются сенсорные системы — важный дополнительный материал для любого вводного курса по робототехнике. Студенты должны приобрести основные знания, касающиеся того, каким образом робот, оснащенный сенсорными устройствами, становится интеллектуальным. Такими устройствами являются силомоментные датчики, цифровые ТВ-камеры. Для того чтобы познакомить студентов с современной технологией систем очувствления робота, в главе описываются используемые в настоящее время тактильные, силомоментные и зрительные системы. Очевидно, что для более детального знакомства с этим предметом студенты должны прослушать курс по очувствлению роботов.

В гл. 9 рассматриваются вопросы программирования роботов. Сначала обсуждаются методы ручного обучения. Затем описываются языки программирования роботов и их эволюция; приводятся программы сопряжения вала с отверстием, написанные на таких языках, как MINI, WAVE, AL, VAL, AML. В конце дан полный набор программ для операции сборки. Эти программы включают такие модули, как УСТАНОВКА, ТЕСТ, СОЗДАНИЕ ФАЙЛА ДВИЖЕНИЯ, ИСПОЛНЕНИЕ ФАЙЛА ДВИЖЕНИЯ, РЕДАКТИРОВАНИЕ ФАЙЛА ДВИЖЕНИЯ, ОБРАТНАЯ КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА, и предназначены для управления роботом.

Я хотел бы поблагодарить моих коллег и студентов Центра робототехники Университета Кларксона, а также робототсхнической лаборатории Университета Нью-Мексико, без чьей помощи этот учебник не мог бы быть написан. Среди них проф. Р. А. Шиллинг из Университета Кларксона, проф. М. Жамшиди из Университета Нью-Мексико и д-р X. Серажи из лаборатории реактивных двигателей, которые помогли мне, предоставив некоторые материалы для шестой главы, проф. Г. Старр из Университета Нью-Мексико и аспиранты Али Мегхдари, Али Акбарзаде, Али Табеш, Майк Капорали, Давид Кэмпбслл, Роберт Кук, Янг Тао Ким и Бинг Хун Чу. Я также благодарю моих секретарей Гейлу Анджел, Терри Грэндон и Ронду Прайс за подготовку рукописи; м-ра Массуда Ахгар за рисунки, выполненные с помощью системы CADAM. Наконец, я хочу выразить признательность м-ру Клиффу Робичауду за его одобрение и поддержку, Томасу Ферреллу за его блестящее техническое ру-ководство, персоналу издательства Харпср и Роу, который провел большую работу по подготовке окончательного варианта книги.

Мо Шахинпур

Скачать книгу:
Курс робототехники — Шахинпур М.

Категория:

Техническая библиотека

Войдите, чтобы оставлять комментарии

Главное меню

Курс робототехники

Оглавление

Предисловие, краткое описание

Категория:

Главное меню

Вы здесь

Курс робототехники

Оглавление

Предисловие, краткое описание

Категория: