Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Паршин Дмитрий Яковлевич. Анализ и синтез робототехнических и мехатронных комплексов для крупнопанельного и монолитного строительства : дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.05 Новочеркасск, 2006 328 с. РГБ ОД, 71:07-5/46


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ, СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТО
МАТИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

  1. Технологические особенности строительных процессов как объектов роботизации и управления

  2. Анализ средств механизации и автоматизации строительных операций

  3. Требования к роботизированным и мехатронным комплексам для выполнения строительных работ

  4. Постановка задач исследований

  5. Выводы по главе 1

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ И МЕХАТРОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

  1. Структурный и кинематический анализ строительных роботов

  2. Принципы построения и структурная организация роботизированных монтажных комплексов

  3. Структурная организация и анализ манипуляционных систем отделочных и бетоноукладочных роботов

  4. Принципы построения мехатронных комплексов для монолитного строительства

  5. Выводы по главе 2

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТРОИТЕЛЬНЫХ РОБОТОВ И
МЕХАТРОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

3.1. Математические модели роботизированных строительно-монтаж
ных комплексов

  1. Математические модели бетоноукладочных роботов

  2. Математические модели отделочных роботов

  3. Математические модели мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства 124

  4. Выводы по главе 3 132

4. ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

РОБОТОВ И МЕХАТРОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 134

4Л. Построение каркаса траекторий движения строительно-монтажных

роботов 134

  1. Планирование установочных траекторий движений монтажных роботов с оптимизацией скорости 144

  2. Планирование траекторий движения отделочных и бетоиоукладоч-

ных роботов , 151

  1. Планирование движений строительных роботов в обобщенных координатах 156

  2. Построение прогнозирующих и адаптивных алгоритмов планирования движений 165

  3. Планирование движений мехатронного комплекса для монолитного строительства 172

  4. Выводы по главе 4 179

5. УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ РОБОТАМИ И МЕХАТ-
РОННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ 180

5.1. Динамические алгоритмы управления строительно-монтажными
роботами и РМК 180

  1. Кинематические алгоритмы управления отделочными и бето ноу к-ладочными роботами ] 99

  2. Управление многомерными мехатронными скользящими комплексами 209

5.4. Выводы по главе 5 221

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РОБОТИЗАЦИИ РАБОТ

В КРУПНОПАНЕЛЬНОМ И МОНОЛИТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 223

  1. Роботизация монтажных операций в крупнопанельном строительстве 223

  2. Роботизация отделочных и бетоноукладочных работ 234

  1. Предложения по практической реализации мехатронных скользящих комплексов 242

  2. Интегрированный программный пакет для разработки и моделирования роботов 254

  3. Выводы по главе 6 261

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 263

Список литературы 267

ПРИЛОЖЕНИЯ 288



Введение диссертации:

Актуальность темы. В современном строительном комплексе крупнопанельное и монолитное строительство занимает одно из ведущих мест. Основными технологическими операциями этих видов строительства являются монтажные, отделочные и бетонные, которые отличаются значительной трудоемкостью, большими объемами, частичной механизацией и малой автоматизацией. Одним из путей интенсификации этих видов работ является автоматизация строительных операций на основе использования достижений робототехники, мехатроники и микропроцессорной техники. Анализ технологии строительства крупнопанельных и монолитных объектов показывает, что в настоящее время можно комплексно механизировать и автоматизировать процесс выполнения монтажных, отделочных и бетонных работ на основе разработки и внедрения специализированных роботов, робототехниче-ских и мехатронных систем. Технологические особенности строительных процессов требуют адаптации роботов к условиям строительной площадки, разработки новых принципов построения строительных роботов. Успешная роботизация строительства возможна лишь при ее организации, изначально ориентированной на применение роботов для выполнения определенных строительных операций.

С середины 80-х годов ХХ-го столетия задачи роботизации и автоматизации строительных работ становятся в центре внимания ученых и специалистов научно-исследовательских и строительных организаций. Среди них ведущую роль занимают ЦНИИОМТП, ВНИИстройдормаш. МИСИ. ЮРГТУ (НПИ), Спецжелсзобетонстрой, Мюнхенский технологический университет. Решение проблемы автоматизации и роботизации строительных операций базируется на трудах ученых Макарова И.М., Фролова К.В., Попова ЕЛ., Юревича Е.И., Кулешова А.И.. Локоты Н.А., Ющенко А.С, Тимофеева А.1-і.. Крутько П.Д., Медведева B.C., Подураева Ю.В., Зенкевич С.А., Лохина В.М.. Бурдакова С.Ф., Кореидясева А.И., Тугенгольда А.К., Жавпер В.Л., Каляева И.А., Петракова В.А. и др., внесших значительный вклад в становление и развитие современных теоретических основ робототехники и мехатроники.

Существенный вклад в решение задач роботизации строительных операций внесли ученые Евдокимов В.А., Вильман Ю.А., Воробьев В.А., Загороднюк В.Т., Булгаков А.Г., Максимычев О.И., Френкель Г.Ю., Гудиков Г.Г., Бок Т. и др. Однако, несмотря на широкий спектр научных и проектных разработок в области строительной робототехники уровень автоматизации и роботизации строительных операций остается достаточно низким. Это связано с необходимостью систематизации выполненных исследований и разработок, проведения комплексных научно-исследовательских и опыгно-копструкторских разработок. Необходимо решать задачи структурной организации строительных роботов и робототехнических комплексов, искать оптимальные алгоритмы решения задач кинематики и динамики манипуляторов, заниматься разработкой методов планированием траекторий движения роботов при выполнении различных строительных операций, разрабатывать алгоритмы управления, обеспечивающие функционирование строительных роботов в условиях стохастической и недетерминированной среды.

Настоящая работа посвящена разработке научных основ создания специализированных роботов, робототехнических и мехатронных систем для выполнения монтажных, отделочных и бетонных работ при строительстве крупнопанельных и монолитных зданий и сооружений. В ней рассмотрены принципы построения строительных роботов, робототехнических и мехатронных систем, методы анализа и синтеза исполнительных устройств, построение математических моделей робототехнических и мехатронных систем, анализ их характеристик методами компьютерного моделирования, методы управления строительными роботами, робототехническими и меха-тронными системами.

Исследования выполнялась в рамках научного направления Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов» по госбюджетной теме П.53,729 «Разработка принципов построения робототехнических систем, средств ав-

томатизации и информационного обеспечения производственных процессов, технологических комплексов и мобильных машин». Отдельные части работы выполнены в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория интеллектуальных информационно-управляющих систем и принципов построения мобильных робототехниче-ских комплексов и мехатронных устройств с лазерными каналами связи» № 19.99Ф.

Цель и задачи исследований. Целью работы является решение научной проблемы анализа и синтеза роботизированных и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, обеспечивающих построение высокоэффективных средств комплексной механизации и автоматизации строительных операций, повышающих производительность и качество выполнения работ, снижающих их трудоемкость.

В связи с этим необходимо решить следующие задачи:

-разработать концепцию построения робототехнических и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, критерии структурного и кинематического анализа строительных манипуляторов, учитывающие технологические особенности и требования;

-разработать критерии выполнения структурно-параметрического синтеза маниггуляционных системы строительных роботов, обеспечивающие оптимизацию геометрических параметров па основе эффективного использования рабочего пространства;

- разработать методы математического моделирования упругих деформаций манипуляционных механизмов, построить математические модели строительных роботов, робототехнических и мехатронных систем, учитывающие статические и динамические особенности объектов и ориентированные на анализ и синтез законов управления движением;

- разработать методологию планирования траекторий движения строительных роботов и робототехнических комплексов, обеспечивающую при заданных начальных условиях оптимизацию пути или времени движения, и ме-

год -экстраполяции траекторий движения мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства, учитывающий требования гладкости и ограничения на кривизну траектории;

сформировать методы синтеза законов управления строительными роботами, робототехническими и мехатронными системами, обеспечивающие компенсацию динамики, минимизацию вычислительного процесса и задан-ное качество управления с учетом конструктивных и технологических ограничений;

разработать рекомендации и методики инженерного расчета и проектирования строительных роботов, робототехнических и мехатронных комплексов, создать автоматизированный программный пакет для разработки, моделирования и исследования манипуляционных роботов и робототехнических систем.

Идея работы заключается в разработке методологии анализа и синтеза строительных роботов, роботизированных и мехатронных систем, основанной на структурно-кинематическом методе их построения, раздельно-синхронном выполнении операций, использовании фиктивных степеней подвижности при учете упругих деформаций мани пуля ционных структур, двухуровневой интерполяции траекторий движения и многоуровневых динамических алгоритмах управления комплексами.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования и практические результаты основываются на системном подходе, законах классической механики, теоретических основах робототехники и меха-троники, методах математического анализа, классической и современной теории управления, методах компьютерного моделирования, теории планирования эксперимента. Полученные результаты проверялись компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями.

Научные положения, защищаемые автором:

- концепция построения строительных роботов, робототехнических и
мехатронных комплексов для крупнопанельного и монолитного строителыл-

ва, основанная на системном подходе и структурно-кинематическом методе; структурные и кинематические характеристики, позволяющие проводить сравнительный анализ манипуляционных систем строительных роботов и выбирать структуры, наилучшим образом учитывающие технологические особенности роботизируемого процесса;

метод структур но-параметр и чес ко го синтеза манипуляционных систем строительных роботов, позволяющий оптимизировать геометрические параметры звеньев для технологически обусловленных характеристик рабочего пространства;

метод математического моделирования упругих деформаций манипуляционных механизмов и математические модели строительных роботов, ро-бототехнических и мехатронных систем, учитывающие деформацию звеньев, статические, кинематические и динамические особенности объектов, взаимодействие исполнительных механизмов, ориентированные на анализ и синтез законов управления движением;

методология планирования траекторий движения строиіельньїх роботов и робототехнических комплексов, основанная на методах интерполяции и алгоритмах планирования, обеспечивающих при заданных начальных условиях оптимизацию пути или времени движения, требуемые гладкость и точность задания траектории, метод экстраполяции траекторий движения мехатронных скользящих комплексов, учитывающий конструктивно-технологические ограничения кривизны траектории;

синтез алгоритмов управления исполнительными механизмами робототехнических и мехатронных систем, основанный на методах многоуровневого, кинематического и динамического управления, методе управления с компенсацией динамики и внешних возмущений, методах группового управления с синхронизацией перемещений регулирующих механизмов, обеспечивающих заданное качество управления с учетом конструктивных и технологических ограничений и минимизацию вычислительного процесса;

- методы инженерного расчета и проектирования компонентов строи-

тельных роботов, робототехнических и мехатронных комплексов; автоматизированный программный комплекс разработки, моделирования и исследования мани пул яционных роботов и РТС; информационно-управляющие системы, обеспечивающие взаимодействие оператора с робототехническими и мехатронными комплексами.

Научная новизна результатов исследований состоит в решении научной проблемы, заключающейся в разработке концепции построения, методологии анализа и синтеза робототехнических и мехатронных систем для крупнопанельного и монолитного строительства, и характеризуется следующим:

впервые в отечественной и зарубежной науке и практике строительной робототехники сформулирован системный подход построения специализированных строительных роботов и РТК, основанный па структурно-кинематическом методе; предложены новые критерии оценки функциональных возможностей манипуляционных систем, учитывающие технологические и конструктивные требования; определены структурно-кинематические особенности построения мехатронных скользящих комплексов для монолитного строительства, позволяющие реализовать непрерывно-циклический процесс возведения монолитных объектов конической или гиперболической форм; предложен способ пространственной корректировки положения платформы комплекса, использующий ее наклон и кручение;

новизна предложенного метода оптимизации геометрических параметров манипуляционных систем, положенного в основу структурно-параметрического синтеза строительных робоюв, заключается в минимизации суммарной работы, выполняемой роботом при отработке типовых технологических движений;

- разработанный метод математического моделирования упругих де
формаций строительных манипуляторов, отличается использованием фик
тивных степеней подвижности, вводимых в структур}' манипулятора, впер
вые получен комплекс математических моделей строительных роботов, ро
бототехнических и мехатронных комплексов, ориентированных на иселедо-

вание процессов управления исполнительными механизмами, которые учитывают деформации звеньев манипуляционных систем и конструктивных элементов мехатронных комплексов, наличие замкнутых контуров и гибких связей, взаимодействие оборудования с рабочей поверхностью;

методология планирования траекторий движения строительных роботов отличается совокупностью методов, учитывающих их кинематические, динамические и технологические особенности, в состав которых включен новый метод двухуровневой интерполяции, обеспечивающий оптимизацию скорости перемещения объекта при ограничениях усилий в захватных устройствах, метод планирования транспортных операций, отличающийся использованием нечетких алгоритмов выбора траектории и ее оптимизации, метод корректировки положения мехатронного скользящего комплекса, отличающийся использованием двухфункциональной аппроксимации, параметры которой определяются из условий гладкости, приближения и ограничений на кривизну;

новизна разработанного метода управления роботизированным монтажным комплексом связана с использованием трехуровневых динамических алгоритмов управления, учитывающих ограничение нагрузки в захватных устройствах; предложенный метод управления гидроприводами строительных роботов по раздельным каналам со стабилизацией давления, отличается способом компенсации динамики манипулятора на основе линеаризованной модели; новизна метода синхронизации перемещений подъемных и регулирующих механизмов мехатронных скользящих комплексов заключается в дискретно-непрерывном управлении механизмами при жестких ограничениях на управление, обеспечивающих асимптотически устойчивое перемещение платформы;

впервые предложены и исследованы математические и алгоритмические основы построения автоматизированной системы разработки и проектирования строительных роботов; предложен метод расчета позиционных сис-

тем управления подъемными домкратами, основанный на использовании принципа компенсации выбега привода.

Обоснование н достоверность научных положений выводов и результатов обусловлена корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, мехатроники, классической теории управления, теории электропривода, корректными допущениями при составлении математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов и подтверждается результатами компьютерного моделирования, при этом максимальная ошибка отклонения расчетных и экспериментальных данных не превышает 7,8%.

Научное значение результатов исследований. Совокупность разработанных в диссертации структур, моделей, методов планирования и управления движением представляет собой методологические основы построения роботизированных и мехатронных комплексов для крупнопанельного и монолитного строительства, которые расширяют теорию робототехники и мехатроники и могут рассматриваться как новое самостоятельное направление прикладной робототехники. Теоретическая значимость научных результатов состоит в том, что предложены, обоснованы и экспериментально подтверждены методы структурного построения и анализа, моделирования динамики и управления движением для нового класса строительных роботов, отличающихся структурой, технологией взаимодействия с рабочей средой, требованиями к управлению.

Практическое значение результатов исследований заключается в том, что предложенные структуры, методы и алгоритмы позволяют разрабатывать строительные роботы, робототехнические и мехатронные комплексы, обеспечивающие необходимую точность и надежность, сокращающие трудо-еімкость работ и повышающие качество их выполнения. Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработанные методы структурного анализа строительных манипуляторов и синтеза геометрических параметров позволяют обоснованно подхо-

дить к выбору структурных решений, расчету строительно-монтажных, отделочных и бетоноукладочных роботов и мехатронных комплексов;

предложенный метод учета упругих деформаций и построенные на его основе модели строительно-монтажных, штукатурных и бето ноу кладочных роботов позволяют более обосновано вести разработку и проектирование строительных роботов, снизить их вес и стоимость;

разработанные методы планирования и управления движением позволяют получить необходимое качество управления, обеспечить оптимизацию пути или скорости движения, учесть ограничения на кривизну траекторий, обеспечить компенсацию внешних воздействий и динамики механизмов:

разработанные рекомендации и методики инженерного расчета позволяют проектировщику вести многовариантное проектирование, осуществлять выбор наилучших вариантов, сократить сроки выполнения проектных работ;

- разработанный интегрированный программный комплекс ''Roboi
Maker" автоматизирует процесс разработки строительных роботов, и значи
тельно сокращает время проведения кинематических и динамических иссле
дований разрабатываемой манипуляционной системы.

Реализация результатов работы. Разработанные структуры, модели, методики и алгоритмы, пакеты программ приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию строительными фирмами: ЗАО «Донское крупнопанельное домостроение» (г. Ростов-на-Дону), ЗАО «Донмеханиза-ция» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Гипростройдормаш» (г. Ростов-на-Дону); НПФ «Интербиотех» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Спецжелезобетонстрой» (г. Москва), ОАО «Экспериментальная ТЭС» (г. Красный Сул и и). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой "Автоматизация производства, робототехника и мехатропика" ЮРГТУ (НПИ) и кафедрой "'Информационные и управляющие системы" РГАСХМ для студентов специальности 220402 «Роботы и робототехпические системы», а также кафедрой «Электротехника и автоматика» РГСУ для студентов специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства». Материалы дис-

сертации включены в учебные пособия «Основы автоматизации и робототехники» (Ростов-на-Дону, Изд-во РГСУ. - 2005) и «Автоматизация строительного производства» (Новочеркасск, Изд-во ЮРГТУ. - 2006), рекомендованных УМО для студентов вузов, обучающихся по специальности 2701 13.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научном семинаре «Опыт применения манипуляторов и роботов в строительстве» (Москва,1998); международной научно-практической конференции «Рациональное использование электроэнергии в строительстве и на транспорте» (Ростов-на-Дону, 2000); международной научной конференции "Математические методы в интеллектуальных системах" - ММИИС-2002 (Смоленск, 2002); международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2002); XV-й (Тамбов, 2002), XVI-й (Ростов н/Д, 2003), XVII-й (Кострома, 2004), XVIII-й (Казань, 2005) и XIX-й (Воронеж. 2006) международных конференциях "Математические методы в технике и технологиях"; 18-м (Краков, Польша, 2001г.), 19-м (Гейшерсбург. США, 2002г.), 20-м (Ейдховен, Нидерланды, 2003г.), 21-м (Сеул. Южная Корея, 2004г.) и 22-м (Феррара, Италия, 2005г.) международных симпозиумах по автоматизации и роботизации в строительстве ISARC; ежегодных научно-практических конференциях РГАСХМ, ЮРГТУ, РГСУ в 1998- 2006 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 52 научных трудах, в том числе по материал работы издано 5 монографий, опубликовано 1 1 статей в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 7 авторских свидетельств на изобретения, опубликовано 7 докладов на английском языке в 5 странах.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6-х глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы содержит 287 страницы основного текста, і 27 рисунков, 6 таблиц, библиографический список литературы из 205 найменований.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций