WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерная школа информационных технологий и робототехники Направление подготовки 15.03.06. «Мехатроника и ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа информационных технологий и робототехники

Направление подготовки 15.03.06. «Мехатроника и робототехника»

Отделение автоматизации и робототехники

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Тема работы Разработка программно-алгоритмического комплекса управления для учебного робототехнического стенда УДК 004.4.001.891.54.621.865.8 Студент Группа ФИО Подпись Дата 8Е41 Зуева Софья Васильевна Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание Беляев Александр Руководитель ВКР Сергеевич Мамонова Татьяна Руководитель ООП к.т.н .

Егоровна

КОНСУЛЬТАНТЫ:

По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»

Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание Доцент ОСГН Петухов Олег Никок.э.н .

ШБИП ТПУ лаевич По разделу «Социальная ответственность»

Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание Ассистент ОКД Авдеева Ирина ИваИШНКБ ТПУ новна

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:

Ученая степень, Должность ФИО Подпись Дата звание Леонов Сергей ВлаРуководитель ОАР к.т.н .

димирович Томск – 2018 г .

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ ПО ООП

Код Результат обучения Требования ФГОС, рез-та (выпускник должен быть готов) критериев и/или заинтересованных сторон Профессиональные Р1 применять глубокие естес

–  –  –

процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе) .

Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы (с указанием разделов)

–  –  –

Инженерная школа информационных технологий и робототехники Направление подготовки 15.03.06. «Мехатроника и робототехника»

Отделение автоматизации и робототехники Период выполнения осенний / весенний семестр 2017/2018 учебного года)

–  –  –

Реферат Выпускная квалификационная работа содержит 74 страницы, 17 рисунков, 25 таблиц, список используемых источников содержит 43 наименования и приложение на 5 листах .

Ключевые слова: РОБОТ-МАНИПУЛЯТОР, ПРЯМАЯ ЗАДАЧА КИНЕМАТИКИ, ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА КИНЕМАТИКИ, ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ

МАНИПУЛЯТОРА, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ .

Цель работы – разработка программно-алгоритмического комплекса управления для учебного робототехнического стенда .

В процессе проведения работы был проанализирован рынок имеющихся программных решений для управления и визуализации работы роботов-манипуляторов. В результате анализа был выявлен наилучший метод решения обратной задачи кинематики для разработки программно-алгоритмического комплекса управления роботом-манипулятором. Проведена разработка структурно-функциональной схемы программно-алгоритмического комплекса управления. Решена прямая и обратная задачи кинематики. Разработана математическая модель двигателя и проведена настройка трехконтурной системы управления двигателем. Разработана трехмерная модель манипулятора для визуализации его работы .





В будущем планируется продолжение работы над данной темой, расширение функционала и апробация данного программного обеспечения на реальном роботе .

Дипломная работа написана в текстовом редакторе Microsoft Word 2010 .

Графический материал выполнен в векторном графическом редакторе Adobe Illustrator 2018 и в системе трёхмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования Autodesk Inventor Professional 2017 .

Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки

В данной работе были использованы следующе термины и соответствующие определения:

Робот-манипулятор – оснащенное рабочим органом исполнительное устройство для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве. [1] Двигатель постоянного тока – электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. [2] Трехмерная модель – это оптическое зрительное воссоздание графических 3D объектов в виде визуально-математических форм, воспроизводимых на мониторе компьютера с целью обеспечения реалистического отображения обрабатываемых компонентов и дальнейших манипуляций с ними .

Симулятор – компьютерный имитатор, задача которого состоит в имитации управления каким-либо процессом, аппаратом или транспортным средством .

Также использованы следующие сокращения .

ОЗК – обратная задача кинематики .

ПЗК – прямая задача кинематики .

ПАКУ – программно-алгоритмический комплекс управления .

ПАК – программно-алгоритмический комплекс .

ПО – программное обеспечение .

ОС – операционная система .

Оглавление Введение

Обзор аналогов

1 .

Разработка программно-алгоритмического комплекса

2 .

Разработка структурной схемы программно-алгоритмического 2.1 .

комплекса управления

Анализ методов решения задач кинематики

2.2 .

2.2.1. Геометрический метод решения обратной задачи кинематики............. 18 2.2.2. Метод Денавита-Хартенберга

2.2.3. Метод прямого и обратного следования

–  –  –

Математическая модель двигателя постоянного тока

2.4 .

Управление двигателем постоянного тока

2.4.1 .

2.5. Трехмерная модель робота-манипулятора

2.5.1. Создание твердотельных объектов частей манипулятора

2.5.2. Создание трехмерной модели в «Matlab Simulink»

3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.. 36 Введение

3.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения

3.1.2. Потенциальные потребители результатов исследования

3.1.3. Анализ конкурентных технических решений

3.1.4. SWOT-анализ

3.1.5. Определение возможных альтернатив проведения научных исследований

3.2. Планирование научно-исследовательских работ

3.2.1. Структура работ в рамках научного исследования

3.2.2. Определение трудоемкости выполнения работ

3.2.3. Разработка графика проведения научного исследования

3.2.4. Бюджет научно-технического исследования

3.2.4.1. Расчет материальных затрат

3.2.4.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ...... 46 3.2.4.3. Основная заработная плата исполнителей темы

3.2.4.4. Дополнительная заработная плата исполнителей темы

3.2.4.5. Отчисления во внебюджетные фонды

3.2.4.6. Расчет затрат на научные и производственные командировки........... 49 3.2.4.7. Контрагентные расходы

3.2.4.8. Накладные расходы

3.2.4.9. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 50

3.3. Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования

4. Социальная ответственность

Введение

4.1. Производственная безопасность

4.1.2. Недостаточная освещённость рабочей зоны; отсутствие или недостаток естественного света

Повышенный уровень шума

4.1.3 .

Повышенный уровень электромагнитных излучений

4.1.4 .

Повышенная напряжённость электрического поля

4.1.5 .

Повышенная или пониженная влажность воздуха

4.1.6 .

4.1.7. Статические перегрузки

4.1.7.1. Умственные перегрузки, перегрузки анализаторов

4.1.8. Электробезопасность

4.1.9. Короткое замыкание

4.1.10. Статическое электричество

4.2. Экологическая безопасность

4.2.1. Воздействие на литосферу

4.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях

4.3.1. Пожарная безопасность

4.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности........ 65 4.4.1. Особенности законодательного регулирования проектных решений... 65 4.4.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны........... 66 4.4.3. Эргономические требования к рабочему месту

4.4.4. Окраска и коэффициенты отражения

Выводы

Заключение

Список публикаций студента

Список литературы и использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение Робот-манипулятор представляет собой устройство, которое используется в различных сферах промышленного производства и может выполнять такие же функции, как конечность человека. Они задействованы во многих сферах деятельности, выполняют разные виды работ, отличающиеся степенью тяжести и опасности, а также требуемой точностью .

В настоящее время во всем мире и в России наблюдается расширение рынка робототехники. Большая часть роботов, которые используются в мире на данный момент – это промышленные роботы. По данным инновационного центра «Сколково» в России в 2016 году был достигнут уровень продаж в 294 312 единиц проданных роботов. По прогнозам на 2018-2020 годы использование роботов будет расти с 1 828 тыс. единиц до 3053 тыс. единиц. По подсчетам, это составляет примерно 14% ежегодного прироста. [3] Однако, при отмеченных темпах роста робототехнического парка требуется подготовка квалифицированных кадров, которые смогут поддерживать в надлежащем состоянии, обслуживать и управлять роботами. Подготовка таких специалистов подразумевает первоначальное обучение на ПО, с помощью которого специалист сможет приобрести первоначальные навыки, обезопасить себя и не повредить дорогостоящее оборудование. Улучшения обучения специалистов можно добиться с помощью программ, имитирующих работу робота в виртуальном пространстве. Симуляторы, созданные в виртуальных средах, помогут будущему специалисту научиться обращаться и программировать промышленного робота, прежде чем он столкнется с роботом в реальной работе .

Именно поэтому разработка симуляторов для промышленной робототехники является актуальной .

Целью данной работы является разработка программно-алгоритмического комплекса управления для учебного робототехнического комплекса для отделения автоматизации и робототехники инженерной школы информационных технологий и робототехники Томского политехнического университета .

Для реализации данной цели необходимо выполнит следующие задачи:

разработать структурную схему ПО;

реализовать систему управления положением робота-манипулятора;

имитировать работу манипулятора с учетом длин звеньев и приводов с наличием трения в подвижных частях, а также затухания энергии ввиду наличия упруго-диссипативного движения звеньев;

визуализировать информацию о действиях робота .

1. Обзор аналогов В настоящее время на рынке представлены симуляторы, которые можно разделить на две категории. Первая категория это симуляторы, которые предоставляются компанией-разработчиком роботов для своей продукции. Такие симуляторы идут в комплекте с роботом или продаются отдельно. Например, симуляторы от компаний «KUKA», «Kawasaki robotics» и «ABB». Чаще всего они поддерживают симуляцию только моделей своей продукции и/или имеют функцию создания новой модели по готовым блокам. Пользователь может программировать сам робот-манипулятор, конструировать его рабочую зону, создавать защитные ограждения, тестировать работу робота в виртуальной среде. [4-6] Вторая категория – это сторонние симуляторы, в которых есть не только библиотеки роботов от разных фирм, но и возможность моделировать сторонних роботов, сконструированных пользователем. Примером таких программ могут быть «V-rep», «Webot» и «Gazebo», который основывается на операционной системе ROS. Некоторые из них бесплатны, некоторые являются коммерческими продуктами, имеющими пробную версию для студентов ВУЗов. [7-9] Обе категории имеют свой ряд достоинств и недостатков, более подробно они представлены в сводной таблице (приложение А) .

Применение симуляторов не ограничивается использованием в управлении промышленными роботами и обучении специалистов, они так же применяются для решения новых инженерных задач и научных исследований. [9-20] Одним из примеров применения симулятора в исследовании и решении задачи является работа студентов швейцарского федерального технологического института в Лозанне. [21] Исследовательская группа рассматривала проблему улавливания быстролетящих объектов на траекториях небаллистического полета: при полетах, длившихся меньше секунды, с объектами, которые имеют произвольную форму и массу, а также когда центр тяжести пойманного предмета не соответствует центру масс .

Ими была решена задача ловли предмета роботом-манипулятором с помощью захвата, имитирующего человеческую ладонь. Роботу было нужно поймать различные по объему и физическим характеристикам предметы: молот, ракетку, пустую бутылку, полупустую бутылку и картонную коробку .

Тестирование ловли предметов было совершенно в несколько этапов. Первый этап включал в себя проверку модели в симуляторе на гуманоидном роботе iCub. В симуляции он ловил молоток и теннисную ракетку. Задача состояла в том, чтобы при ловле предметов они были пойманы непосредственно за рукоятку. В момент ловли у iCub были задействованы только торс и правая рука .

Второй этап заключался в проверке реального робота-манипулятора KUKA LWR 4+. Здесь моделирование в виртуальном пространстве симулятора было частью построения пространственно-постижимой модели робота, для прогнозирования возможных траекторий полета предметов .

Еще одним примером может служить исследование, проведенное группой исследователей из Римского университета Сапиенца. Перед ними стояла задача координации движений робота-манипулятора и человека с помощью бесконтактного определения положения человека (через камеру) для реализации кооперативной работы между ними. Создание симуляции слежения производилось в симуляторе V-rep, который был интегрирован в среду ОС ROS. [22] Многообразие работ [9-20] по данной тематике говорит о том, что симуляторы это необходимое ПО для разработки и создания новых решений в области промышленной робототехники. Они позволят уменьшить затраты на реализацию задач, открывает поле деятельности для научных исследований, а также позволяет неопытным специалистам повысить свои профессиональные навыки .

2. Разработка программно-алгоритмического комплекса Решение задачи реализации ПО для обучения специалистов-робототехников будет проводиться согласно техническому заданию (ТЗ), представленному в приложении Б .

Разработка структурной схемы программно-алгоритмического 2.1 .

комплекса управления На первом этапе разработки ПАКУ для робота-манипулятора требуется разработать структурную схему симулятора робота, содержащего следующий функционал:

отработка движения робота в заданную точку;

разработка математической модели двигателя с учетом его реальных характеристик учебного стенда;

отработка физических параметров робота-манипулятора и влияние физических законов на его поведение;

визуализация робота-манипулятора и его рабочей среды;

реализация интуитивно понятного пользовательского интерфейса .

Для реализации первой функции ПАКУ необходимо решить прямую и обратную задачи кинематики. Решение ПЗК требуется как для решения ОЗК, так и для определения значения координат рабочего органа манипулятора, с целью компенсации ошибки между заданным и действительным положением робота .

Данная задача реализована в блоке «Решение прямой задачи кинематики» (рисунок 1). Его входом являются углы поворота звеньев манипулятора, выходом – координаты его рабочего органа. ОЗК решается с целью определения углов поворота звеньев по заданному пользователем положению рабочего органа манипулятора, для передвижения виртуальной модели. Данная задача реализована в блоке «Решение обратной задачи кинематики». Входом блока являются желаемые координаты, которые задает пользователь, выходом – рассчитанные углы поворота звеньев манипулятора .

Разработка второй функции требует создания математической модели двигателя и системы управления по трем контурам: по току, по положению и по скорости, поскольку данные характеристики обеспечивают стабильную работу двигателя. Данные контуры управления реализованы в блоке «Управление двигателем», на вход которого поступают углы поворота звеньев с блоков «Решение обратной задачи кинематики» и «Математическая модель двигателя», а на выход подается напряжение двигателя, поступающее на вход блока «Математическая модель двигателя». Передаточная функция, описывающая двигатель постоянного тока, реализуется в блоке «Математическая модель двигателя». Его входом является напряжение, выходом – действительные значения углов поворота двигателя .

Третья функция требует, чтобы реализованная модель подчинялась физическим законам. То есть модель должна учитывать массы деталей манипулятора, массу его рабочего объекта, тензоры инерции, расстановку сил, которые действуют на каждое звено манипулятора. Действие законов, влияющих на манипулятор, осуществляет блок «Физическая модель». Входом этого блока являются действительные значения углов поворота звеньев манипулятора, выходом – реальное положение манипулятора .

При создании ПАКУ необходимо учесть эффективное отображение работы робота. Данная функция реализуется с помощью трехмерной модели робота-манипулятора, которая отражает все изменения в параметрах, внесенных пользователем. Модель будет содержать в себе элементы, присущие трехзвенному роботу-манипулятору, а именно: иметь три звена и эффектор. Осуществление описанных функций производит блок «Трехмерная модель». На вход этого блока будет подаваться реальное положение манипулятора, тогда как на выход будет поступать визуальная информация, выводящаяся на экран компьютера .

Последней функцией, реализованной в ПАК будет непосредственная работа с пользователей. Это интерфейс, с помощью которого пользователь будет вносить изменения в параметры манипулятора: длина звеньев, координаты рабочего органа, масса и размер рабочего объекта, тензоры инерции и др. Частично функции блока «Интерфейс» будет выполнять среда «Matlab», в которой проводится разработка ПАКУ .

Структурная схема, описывающая работу робота-манипулятора, приведена на рисунке 1 .

Рисунок 1 – Структурная схема программно-алгоритмического комплекса

–  –  –

2.2.1. Геометрический метод решения обратной задачи кинематики Геометрический метод решения ПЗК И ОЗК основывается на представлении положения манипулятора в пространстве, разбиении имеющихся положений на плоскости и решении элементарных геометрических задач с помощью полученных плоскостей. Этот метод позволяет рассчитать значения углов поворота звеньев манипулятора через известные значения координат рабочего органа с помощью применения законов планиметрии. [23] Геометрический метод сложно реализуем с помощью инструментов программирования, так как создание алгоритма требует описания большого количества ограничений .

2.2.2. Метод Денавита-Хартенберга Для описания вращательных поступательных движений между соседними звеньями используется матричный метод построения систем координат, связанных с каждым звеном кинематической цепи. Формируется однородная матрица преобразований 4х4, которая описывает положение системы координат каждого звена относительно системы координат предыдущего звена. Это дает возможность последовательно преобразовывать координаты рабочего органа манипулятора из системы отсчета, являющуюся инерциальной системой координат для рассматриваемой динамической системы. [24-27]

Кроме базовой системы, для каждого звена на оси его сочленения определяется ортонормированная декартова система координат. Каждая система формируется по следующим правилам:

1. Ось zi-1 направлена вдоль оси i-ого сочленения .

2. Ось xi перпендикулярна оси zi-1 и направлена от нее .

3. Ось yi дополняет оси xi, zi до правой декартовой системы координат .

Для расчета манипулятора воспользуемся следующим алгоритмом:

1. Повернем оси zi-1 на угол, чтобы ось стала сонаправленой с осью хi .

2. Сдвинем вдоль оси zi-1 на расстояние d, чтобы совместить хi-1 и хi .

3. Сдвинем вдоль оси хi, на расстояние a, чтобы совместить начала координат .

4. Повернем вокруг оси хi, на угол, в результате которого достигается совпадение систем координат .

При этом – угол, на который нужно повернуть ось хi-1 вокруг оси zi-1, чтобы она стала сонаправлена с осью хi; a - расстояние между пересечением оси zi-1 с осью хi и началом для первой системы координат, отсчитываемое вдоль оси zi-1; d – линейное смещение – расстояние между пересечением оси; zi-1 с осью хi и началом i-системы координат, отсчитываемое воль оси х, то есть кратчайшее расстояние между осями zi-1 и zi; – угловое смещение, то есть угол, на который надо повернуть ось zi-1 вокруг оси хi, чтобы она стала сонаправленой с осью .

Каждую из четырех приведенных операций описывают матрицами-поворота. После чего эти матрицы перемножают и получают однородную матрицу для поиска координат .

С помощью математического пакета, например, такого как «Mathcad», можно упростить преобразовать и выразить из полученной матрицы уравнения для решения ПЗК. Решение ОЗК в этом случае требует упрощения полученных уравнений посредством подстановки констант и выражения углов поворота звеньев .

2.2.3. Метод прямого и обратного следования Forward and Backward Reaching Inverse Kinematics (FABRIK) – метод использует систему узлов, являющихся твердыми телами, соединенных между собой ребрами, которые задают движение и ограничивают перемещение узлов, относительно соседних ребер, то есть перемещение одного ребра в звене ведет к движению всех ребер в цепочке. [28] FABRIK отличается от других методов тем, что вместо матриц поворота и преобразования вращения он сводит задачу поиска положения в поиск точки на прямой .

Метод работает в два этапа. Первый этап сравнивает дистанцию от начального узла цепи до желаемой точки с длинной ребер самой цепи, проверяя достижимо ли такое решение. Второй этап отрабатывает алгоритм достижения желаемой точки. Для этого принимают конечный узел, лежащим в желаемой точке, и строят прямую от первоначального положения конечного узла до его текущего положения. Затем ребро, следующее за конечным узлом укладывается, на построенной прямой. Следующие за ним ребра поочередно подстраиваются под положение соседних ребер .

Метод FABRIK удобен тем, что с помощью него можно рассчитывать цепь, состоящую из нескольких разветвленных цепей с заданием ограничений движения. Алгоритм является итерационным и занимает большое количество вычислительных ресурсов .

В настоящей работе выбран метод Денавита-Хартенберга для решения ПЗК и ОЗК, потому что он был хорошо изучен в течение программы подготовки «Мехатроника и робототехника», а так же был неоднократно использован в решении текущих задач и презентован в рамках VIII Фестиваля Microsoft в ТПУ .

Решение прямой и обратной задач кинематики для робота-манипулятора Для выполнения первого этапа создания ПАКУ и реализации движения робота-манипулятора необходимо решить прямую и обратную задачи кинематики .

В ходе анализа методов решения таких задач был выбран метод Денавита-Хартенберга .

На основании кинематической схемы робота-манипулятора представленной на рисунке 2, составлены матрицы поворота .

–  –  –

В систему уравнений (4) для решения ПЗК подставим известные длины звеньев и координаты рабочего органа манипулятора и выразим значения улов поворота манипулятора. Расчет углов поворота звеньев производится с помощью скрипта (Приложение В), который написан в программном пакете «Matlab» .

Были рассчитаны следующие значения углов поворота манипулятора, при учете его звеньев равных: L1=0,1 м; L2=0,5 м; L3= 0,35 м .

Таблица 1. Таблица с вариациями нахождения углов поворота Кинематическая схема Координаты Углы поворота

–  –  –

Где U – напряжение на якорной обмотке двигателя; e – электродвижущая сила (ЭДС) якоря; i – ток якоря; Ф – поток, создаваемый обмоткой возбуждения;

M – электромагнитный момент двигателя; MС – момент сопротивления движению; – скорость вращения вала двигателя; R – активное сопротивление якорной цепи; L – индуктивность якорной цепи; J – суммарный момент инерции якоря и нагрузки; С – коэффициент связи между скоростью и ЭДС, СМ – коэффициент связи между током якоря и электромагнитным моментом, k – коэффициент передачи .

По системе уравнений (5) составлена операторно-структурная схема, представленная на рисунке 3 .

Рисунок 3 - Операторно-структурная схема для двигателя постоянного тока На основе операторно-структурной схемы в «Matlab» «Simulink» была создана модель двигателя, представленная на рисунке 4 .

Рисунок 4 – Математическая модель двигателя постоянного тока Математическая модель ДПТ использует следующие параметры двигателя (таблица 2) .

Таблица 2. Параметры для математической модели ДПТ Dunkermotoren Параметр L, Гн R, Ом J, кг·м2 С СМ k Значение 0,0085 5,95 0,034 4,3 2,0441 0,0114 2 .

4.1. Управление двигателем постоянного тока Управление ДПТ реализовано в виде подчиненной трехконтурной системы на основе блока «ПИД-регулятор» в «Matlab» «Simulink». Корректная работа полученной системы осуществляется с помощью настройки ПИД-регуляторов по току, скорости и положению .

Настройка трехконтурной системы ПИД-регуляторов является сложной задачей для решения ее в рамках ВКР. Поэтому для настройки регуляторов в данной работе были использованы инструменты, входящие в программный пакет «Matlab» .

Трехконтурная система ПИД-регуляторов была настроена согласно физическим характеристикам ДПТ (рисунок 5). Регулятор положения настроен так, чтобы у него не было перерегулирования и отсутствовала статическая ошибка. В регуляторе скорости перерегулирование и статическая ошибка должны стремиться к нулю. Регулятор тока должен иметь перерегулирование не больше максимального значения тока, а его статическая ошибка не должна равняться нулю .

Рисунок 5 – Схема системы управления двигателем в «Simulink»

Настройка контуров производилась с помощью алгоритмов оптимизации, а именно с помощью инструмента «Response Optimization». Для настройки контура нужно выполнить следующий алгоритм действий .

В командном окне или с помощью m-файла заранее прописывается 1 .

набор переменных для каждого контура .

На панели инструментов «Response Optimization» создается новый 2 .

график с помощью выбора «Step Response Envelope» .

После нажатия на кнопку «Step Response Envelope» открывается 3 .

окно «Create Requirement». Во вкладке «Specifity Step Response Characteristics»

задаются желаемые показатели качества .

Таблица 3. Значения показателей качества, использованных в работе Показатели качества Rise time, second Setting time, second Overshoot, % Контуры Значения параметров Контур тока 15 20 0 Контур положения 15 20 0 Контур положения 1 2 0 Кроме того, во вкладке «Select signals to bound» задается сигнал, по 4 .

которому будет проводиться настройка. Для выбора выбирается кнопка добавления сигнала. После чего на модели двигателе в «Simulink» выбирается связь, принадлежащая настраиваемому контуру. В появившемся окне «Create Signal Set» в левом списке выбирается сигнал контура и переносится в левое окно «Signal» .

Далее выбирается набор переменных для контура, который будет 5 .

настроен. Выбирается иконка «Design Variables Set» на панели инструментов «Response Optimization». В появившейся таблице из левой части коэффициенты настраиваемого ПИД-регулятора перемещаются в правую часть. В этом же окне задаются границы настройки от нуля до плюс бесконечности, так как при настройке ПИД-регуляторов не используются отрицательные коэффициенты .

Для запуска настройки ПИД-регуляторов необходимо нажать кнопку 6 .

«Optimize» на панели инструментов «Response Optimization». Программа начнет подбор коэффициентов .

Настройка контуров проводится в порядке от внутреннего контура к внешнему, то есть первым настраивается контур тока. Результаты настройки контуров показаны в таблице 4 .

Результаты работы системы и переходные характеристики контуров после настройки ПИД-регуляторов представлены в таблице 5 .

–  –  –

2.5. Трехмерная модель робота-манипулятора Последним этапом создания ПАКУ является создание объекта, который отображает реакцию робота-манипулятора на заданные пользователем значения углов поворота звеньев и выводит визуальную информацию на экран компьютера .

2.5.1. Создание твердотельных объектов частей манипулятора Твердотельные объекты были выполнены в 3D-САПР «Autodesk Inventor» .

Модель представляет собой объемную кинематическую схему и состоит из семи частей: основания, трех звеньев и их сочленений, трех лапок захвата, при этом все лапки одинаковы .

Каждый из трехмерных объектов начинается с 2D-эскиза. После выбора кнопки «Начать 2D-эскиз» пользователю предлагается выбрать одну из трех плоскостей, на которой будет строиться сам эскиз с помощью доступных примитивов: линии, сплайны, эллипсы, окружности и др .

Основание робота-манипулятора представляет собой окружность, которой после эскизирования придали объем с помощью панели инструментов «3D-модель» и кнопки «Выдавливание», создав, таким образом, цилиндр диаметром 500 мм и высотой 20 мм .

Рисунок 6 – Основание робота-манипулятора Первое звено манипулятора представляет собой цилиндр диаметром 1500 мм и высотой 1000 мм. Вверху объекта есть сочленение, выполненное в виде полусферы с помощью создания эскиза на верхней окружности цилиндра, принятой за плоскость и кнопки «Вращение» .

Второе и третье звенья выполнены таким же образом в виде цилиндров с полусферой в верхней части и с одинаковыми основаниями, но различной высотой. На конце второго и третьего звеньев расположен усеченный конус. Второе звено высоту составляет 5000 мм. Третье звено – 3000 мм .

Рисунок 7 – Звенья робота-манипулятора Палец манипулятора выполнен с помощью выдавливания неправильной фигуры (рисунок 8) на расстояние 300 мм .

Рисунок 8 – Эскиз пальца робота-манипулятора Далее в верхней части, на основе плоскости выдавливанием созданы параллелепипед и цилиндр, имитирующие крепление к основанию захвата .

–  –  –

Создание твердотельных моделей частей манипулятора требовало проверки совместимости деталей, для этого была выполнена сборка всего объекта в «Autodesk Inventor». Каждой части манипулятора были заданы соответствующие зависимости относительно других частей объекта .

Рисунок 10 - Сборка трехмерной модели робота-манипулятора Перенос трехмерных моделей деталей манипулятора производится с помощью экспорта деталей в форматы «STEP» или «STL». С помощью кнопки «Сохранить как», нужно выбрать пункт «Сохранить копию как» и выбрать требуемый формат .

2.5.2. Создание трехмерной модели в «Matlab Simulink»

Библиотека «Simscape», входящая в состав пакета «Simulink», наравне с моделированием процессов и программированием, также позволяет разрабатывать визуализацию процессов. Визуальная часть создавалась с помощью набора инструментов «Multibody». В нем содержатся группы блоков, которые поддерживают моделирование твердых тел, сочленений, физических постоянных и сил, создание поверхностей и др. Основными блоками, использованными в работе для создания объекта в рабочем пространстве, являются блоки «Solid» и «Rigid Transform» .

Блок «Solid» поддерживает создание твердотельных объектов, которым можно задать параметры формы и размера. В блоке можно задать массу или плотность тела, и на основе заданной геометрии вычисляется его инерционные свойства .

Блок «Rigid Transform» создает постоянное преобразование простыми твердыми телами или группой таких тел. Комбинируя между собой блоки «Solid» и «Rigid Transform», можно моделировать сложные твердые тела .

Рисунок 11 – Внешний вид блоков «Rigid Transform» и «Solid»

из библиотеки «Simscape»

Для добавления подвижности модели используют набор инструментов «Joints». В манипуляторе звенья соединены с помощью соединения, которое обеспечивает поворот звена, вокруг оси мотора, приводящего его в движение. В «Simulink» такое соединение создается с помощью блока «Revolute Joint», в котором можно настроить угол поворота звена и задать скорость поворота .

«Revolute Joint» создает модель вращения деталей и позволяет имитировать подвижность звеньев и лапок захвата .

Рисунок 12– Внешний вид блока «Revolute Joint»

из библиотеки «Simscape»

Блок «Solid» может содержать в себе объект, созданный в 3D-САПР. После конвертации твердотельные объекты, созданные в «Autodesk Inventor» помещаются в блоки «Solid», и, с помощью ориентации блоков «Rigid Transform», собирается программа, отображающая симулятор манипулятора .

Создаваемая трехмерная модель должна отображать механику манипулятора и то как действуют на него физические силы. Для этого перед началом создания самой модели в окно «Simulink» из библиотеки «Simscape» добавляются блоки «Mechanism Configuration» и «World Frame» .

В блоке «Mechanism Configuration» задается значение ускорения свободного падения. Блок «World Frame» определяет точку в виртуальном пространстве, от которой начинается главный отсчет координат для трехмерной модели .

В результатом третьего этапа является трехмерная модель, собранная из описанных выше блоков «Matlab» «Simulink». Блок-программа (рисунок 12) создает в рабочем окне «Matlab» динамическую модель манипулятора .

Рисунок 13 - Программа создания механической модели манипулятора Отображение в рабочем окне «Matlab» полученного результата работы собранной схемы представлено на рисунке 13 .

–  –  –

Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

1. Оценка конкурентоспособности технических решений

2. Матрица SWOT

3. Альтернативы проведения НИ

4. График проведения и бюджет НИ

5. Оценка ресурсной, финансовой и экономической эффективности НИ Дата выдачи задания для раздела по линейному графику

–  –  –

3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение Введение В настоящее время специалисты-робототехники являются одними из самых востребованных работников на рынке труда. Это говорит о потребности образовательных учреждений в подготовке специалистов-робототехников. В таком случае образовательное учреждение должно иметь парк роботов, который способен удовлетворять практическим задачам для обучения студентов .

Отделение автоматизации и робототехники, входящее в состав Томского политехнического университета имеет такой парк роботов. При использовании этого парка студенты учатся программировать роботов под задачи, с которыми они могут встретится на реальном производстве, при работе с промышленными роботами. В частности, в парке роботов имеется несколько роботов-манипуляторов, на основе которых проводятся лабораторные работы по таким предметам как «Теория автоматических систем», «Основы мехатроники и робототехники», «Технические средства в мехатронике и робототехнике» .

Для программирования и в целом для работы с симуляторами требуется создание компьютерного приложения, которое поможет в изучении работы с манипулятором. В настоящее время разработка программно-алгоритмического комплекса для робота-манипулятора является актуальной задачей, т.к. он позволит студентам сначала тренироваться на программно-алгоритмическом комплексе, и способствовать переходу от теоретического к практическому обучению .

Задача проекта: Разработать программно-алгоритмический комплекс для робота-симулятора .

Основные требования: надежность, совместимость с программным обеспечением .

3.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения Перед планированием работы, определением ресурсного и экономического потенциала разработки программно-алгоритмического комплекса, следует уделить особое внимание оценки коммерческого потенциала и перспективности новой разработки в целом, дать характеристику и определить сегмент рынка, на который будет ориентироваться компания, при продаже своей продукции .

–  –  –

Исходя из представленных конкурентных преимуществ, данная разработка получилась более выгодной .

3.1.4. SWOT-анализ Далее исследуем внутренние и внешне свойства среды данного проекта с помощью методики SWOT-анализа. Матрица SWOT-анализа (таблица 8) описывает сильные и слабые стороны проекта, а также показывает возможности и угрозы для его реализации .

Первым этапом будут выявляться сильные и слабые стороны разработки относительно внешних условий среды. С помощью этих соответствий будет воз

–  –  –

По морфологической матрице, можно предложить три варианта решения поставленной технической задачи. В рамках бакалаврской работы разрабатывается программно-алгоритмический комплекс для робота-манипулятора, поэтому количество возможных вариантов исполнения системы уменьшается .

Выберем три варианта:

вариант 1 – А1Б3В4Г4 – Двухзвенный робот-манипулятор, решение ОЗК геометрическим методом, с ВД, трехмерная модель, выполнена в MatLab Simulink Simscape .

вариант 2 – А3Б4В3Г1Д4 – Четырехзвенный робот-манипулятор, решение ОЗК итерационным методом, с ДПТ, трехмерная модель, выполнена в Fusion 360 .

вариант 3 – А3Б3В1Г2Д3 – Трехзвенный робот-манипулятор, решение ОЗК методом Денавита-Хартенберга, с ДПТ, трехмерная модель, выполнена в Autodesk Inventor .

3.2. Планирование научно-исследовательских работ

–  –  –

где Трi– продолжительность одной работы, раб. дн.; tожi – ожидаемая трудоемкость выполнения одной работы, чел.-дн; Ч i – численность исполнителей, выполняющих одновременно одну и ту же работу на данном этапе, чел .

Для удобства построения графика, длительность каждого из этапов работ из рабочих дней следует перевести в календарные дни .

Tкi Т рi kкал, где Ткi– продолжительность выполнения i-й работы в календарных днях;

Трi – продолжительность выполнения i-й работы в рабочих днях; kкал – коэффи

–  –  –

где Tкал – количество календарных дней в году; Т вых – количество выходных дней в году; Т пр – количество праздничных дней в году .

Выполнение работ, приведенных в таблице 8 требует следующий персонал: студент, научный руководитель

–  –  –

3.2.4.2. Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ Так как основная часть разработки программно-алгоритмического комплекса проводится на персональном компьютере с использованием специализированных программ, то расчет затрат на специальное оборудование не требуется .

3.2.4.3. Основная заработная плата исполнителей темы Статья включает основную заработную плату работников, непосредственно занятых выполнением научно-технического исследования, (включая премии, доплаты) и дополнительную заработную плату:

Ззп З осн З доп, где Зосн – основная заработная плата; Здоп – дополнительная заработная плата (12-20 % от Зосн) .

Основная заработная плата (Зосн) руководителя (лаборанта, инженера) от предприятия (при наличии руководителя от предприятия) рассчитывается по следующей формуле:

Зосн З дн Т р,

–  –  –

3.2.4.4. Дополнительная заработная плата исполнителей темы

Расчет дополнительной заработной платы ведется по следующей формуле:

З доп k доп З осн, где kдоп – коэффициент дополнительной заработной платы (на стадии проектирования принимается равным 0,12 – 0,15). Примем коэффициент равный 0,

12. Результаты расчета приведены в таблице 20 .

–  –  –

3.2.4.6. Расчет затрат на научные и производственные командировки Разработка создается в пределах Томского политехнического университета для отделения автоматизации и робототехники. Командировки возможны лишь, при условии продвижения полученного комплекса в другие ВУЗы .

3.2.4.7. Контрагентные расходы На данном этапе невозможно оценить влияние контрагентных расходов на проект .

3.2.4.8. Накладные расходы Накладные расходы учитывают прочие затраты организации, не попавшие в предыдущие статьи расходов: печать и ксерокопирование материалов исследования, оплата услуг связи, электроэнергии, почтовые и телеграфные расходы, размножение материалов и т.д. Их величина определяется по следующей формуле:

Знакл (сумма статей 1 7 ) kнр, где kнр – коэффициент, учитывающий накладные расходы .

Величину коэффициента накладных расходов можно взять в размере 16% .

Вариант 1 = (198050+20823+44871+17803)·0,16=45 047,52 Вариант 2 = (198050+20823+81869+27830) ·0,16=52 571,52 Вариант 3 = (273517+20823+58402+21470) ·0,16=59 873,92

–  –  –

I р исп1 =5*0,4+5*0,2+5*0,15+5*0,2+5*0,15=5,5;

I р исп 2 =3*0,4+5*0,2+5*0,15+3*0,2+5*0,15=4,3;

I р исп 3 =3*0,4+4*0,2+3*0,15+4*0,2+3*0,15=3,7 .

Интегральный показатель эффективности вариантов исполнения разработки ( I испi. ) определяется на основании интегрального показателя ресурсоэффективности и интегрального финансового показателя по формуле:

–  –  –

4. Социальная ответственность Введение С каждым годом возрастает интенсивность применения компьютерной техники в сферах жизнедеятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: электромагнитных полей, радиочастотному (высоких, ультравысоких и средних частот) и инфракрасному излучению, шуму и вибрации, статическому электричеству. Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением, высокой напряженностью зрительной работы и большой нагрузкой на кисти рук при работе с периферийными устройствами ЭВМ .

4.1. Производственная безопасность Ниже приведем перечень опасных и вредных факторов, характерных для проектируемой производственной среды в виде таблицы .

–  –  –

4.1.2. Недостаточная освещённость рабочей зоны; отсутствие или недостаток естественного света Рабочее место находится на цокольном этаже здания. Естественное освещение в аудитории отсутствует. Освещение в аудитории производится посредством общего искусственного освещения .

В процессе разработки комплекса управления, разработчик все время работы пользуется ПК. При этом согласно [31] освещение не создает бликов на поверхности экрана ПЭВМ, а освещенность экрана не более 300 лк. Кроме того, работа за ПЭВМ относится к категории зрительных работ к разряду Б зрительных работ (восприятие информации). [32] В помещении, которое предназначено для эксплуатации ПЭВМ, искусственное освещение осуществляется путем системы общего освещения. Освещение не создает бликов и ограничивает прямую блёскость от источников освещения на поверхности экрана ПВЭМ. [31] Для минимизации воздействия фактора недостаточной освещенности рабочего пространства, при полном отсутствии естественного света используется искусственное освещение. Посчитаем освещенность рабочего пространства .

F E, где Е – освещенность, F – общий световой поток, S – площадь S помещения, - поправочный коэффициент .

–  –  –

4.1.3. Повышенный уровень шума Звуковые колебания, издаваемые движущимися частями механизмов и приборов, могут воздействовать на здоровье человека. Громкие звуки, могут стать причиной проблем со слухом, а длительное воздействие шума более 80 дБ может стать причиной его потери ли ухудшения. Чувствительность к монотонным звукам является индивидуальным показателем. Но постоянно повторяющиеся шумы на рабочем месте провоцируют проблемы, связанные с нервной системой и органами слуха .

В данной работе основным источником шума является системный блок ПЭВМ, внутри которого работает система охлаждения, состоящая из вентиляторов, воспроизводящих непрерывный шелест или гудение .

Уровень звука, при этом не превышает 50дБ [34]. Постоянный уровень шума влияет на работоспособность и сосредоточенность человека. Аудитория №027 соответствует нормам [34] и является помещением с минимальным уровнем шума при программировании и разработке симулятора манипулятора. Кроме того, каждый академический час в работе делается перерыв, который позволяет отключить компьютер и/или выйти из помещения для разгрузки нервной системы и органов слуха .

4.1.4. Повышенный уровень электромагнитных излучений 4.1.5. Повышенная напряжённость электрического поля В повседневной жизни для людей не заметно воздействия электромагнитных излучений. Мощность источника излучения должна быть достаточно большой, чтобы это отражалось на здоровье и самочувствие организма. Работа ПЭВМ, кроме электромагнитных излучений сопровождается электростатическим полем, которое может деионезировать окружающую воздушную оболочку .

Основные излучающие электромагнитное поле части ПЭВМ – это системный блок, в котором находится процессор, и экран монитора. [35] Для защиты от электромагнитного излучения исходящего от монитора компьютера, имеющего в основе электроннолучевую трубку, используют экранирующие защитные экраны. При выходе из строя такого монитора, он заменяется на жидкокристаллический монитор, который имеет нормированные показатели излучений .

На рабочем месте установлены ПЭВМ, оснащённые жидкокристаллическим монитором. Они излучают электромагнитные волны, которые не причиняют человеку вреда, даже при длительной работе. [35] 4.1.6. Повышенная или пониженная влажность воздуха Давление, температура и влажность воздуха влияют на здоровье работников, следовательно, он влияют на общее самочувствие, работоспособность и выполнение поставленных задач .

Рабочее место находится на цокольном этаже здания, в помещении проводятся занятия студентов, хранятся справочные материалы и учебники, а также стоит учебное оборудование. В данном помещении повышение влажности грозит утратой важных учебных материалов, а также порчей дорогостоящего оборудования. Поэтому значение относительной влажности и температуры должны быть строго нормированными. Т.к. помещение относится ко второй категории, согласно. [36] Рабочее место из-за своего расположения может быть слишком влажным .

Поэтому в стенах аудитории установлена механическая вентиляция, оснащенная вентилятором и отводящая воздух из помещения. Это обеспечивает проветриваемость помещения и как следствие убирает лишнюю влагу. Кроме того, аудитория подключена к системе центрального городского отопление. Это помогает регулировать температуру в период зимних месяцев .

4.1.7. Статические перегрузки

4.1.7.1. Умственные перегрузки, перегрузки анализаторов В современном мире, почти каждая работа, так или иначе, связанна с работой за компьютером. Разработчикам программ, инженерам и всем, кто учится, приходится проводить за ПВЭМ многие часы. При этом пользователь вынужден принимать одну и ту же позу в течение длительного времени, тем самым создавая в работе мышечного корсета статические перегрузки. Неудобная поза, нахождение центра тяжести в одном месте, постоянный наклон вперед вызывают боли в шее и спине .

Работа с ПЭВМ подразумевает обработку большого количества информации. Анализ данных, инженерные исследования, расчеты и разработка программных продуктов требуют высокой концентрации внимания. При работе с визуальной информацией напрягаются глаза, которые являются зрительными анализаторами человека. Расстояние расположения предмета постоянного визуального контроля не меняется в процессе работы, из-за этого устают глазные мышцы, из-за этого снижается острота зрения. При длительных контактах с дисплеем, постоянного наблюдения схожей по структуре зрительной информации, человек начинает испытывать стресс .

Согласно [37], разработка программно-алгоритмического комплекса относится к группе В, I категории (до 2х часов) – творческая работа в режиме диалога с ПЭВМ. При выполнении разных групп работ в течение смены за основную принимают такую, которая занимает не менее 50% времени рабочего дня. Для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья пользователей на протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированный перерыв, при 8-ми часовом рабочем дне 30 минут. Продолжительность непрерывной работы с ПК не должна превышать 2 часов. Для I категории работ - через 2 часа от начала работы и через 1,5 - 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый. [37] Во время регламентированных перерывов с целью сохранения высокой работоспособности выполняется комплекс упражнений [37]. С целью уменьшения отрицательного влияния монотонности целесообразно чередование операций осмысленного текста и числовых данных, чередование редактирования текстов и ввода данных (изменение содержания работы) .

Работа над разработкой программно-алгоритмического комплекса требует сосредоточенности и частого переключения между использованием нескольких программ одновременно. Поэтому для того чтобы зрительные анализаторы работали на нужном уровне каждый академический час проводится перерыв в 5-10 минут, а в каждый второй академический час перерыв в 20 минут. Во время перерыва есть возможность выйти из аудитории и выключить на время ПЭВМ. [37] 4.1.8. Электробезопасность Электробезопасность – система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества .

Согласно [39] помещение, в котором находится рабочее место, относится к категории помещений без повышенной опасности. Его можно охарактеризовать, как сухое, непыльное, с токонепроводящими полами и нормальной температурой воздуха. Температурный режим, влажность воздуха, химическая среда не способствуют разрушению изоляции электрооборудования .

Защита от электрического тока на рабочем месте производится с помощью изоляции токопроводящих частей (все провода изолированы). Электрические устройства, в частности процессор от ПЭВМ расположен в защитном коробе .

4.1.9. Короткое замыкание Короткое замыкание – это соединение двух точек с разным потенциалом с последующим увеличением тока и выделением большого количества тепла .

Вследствие чего короткое замыкание может стать причиной пожара в помещении, при коротком замыкании от электрического тока могут пострадать люди находящиеся в непосредственной близости от источника возникновения .

На рабочем месте короткое замыкание может быть вызвано либо неисправностью в проводке, либо при работе с компьютером, когда внутри корпуса создается разность фаз и ток может так же повредить всю электросеть. [43] Для защиты электрической сети от короткого замыкания предусмотрены устройства защитного отключения (УЗО), оснащенные устройствами автоматического отключения – автоматами и предохранителями. Кроме того, в помещении установлены датчики дыма, которые при возникновении возгорания, вызванного коротким замыканием, оповещают все здание о начавшемся пожаре .

Таким образом, рабочее место полностью защищено от возможного короткого замыкания .

4.1.10. Статическое электричество В аудитории №027 находится много устройств, которые работают от электрического тока и сделаны из материалов, которые, так или иначе, накапливают на себе статически заряд. Может возникнуть разность потенциалов от статического электричества, и прикосновение человека к заряду может вызвать травмы, ожоги или пожар [39] .

4.2. Экологическая безопасность

4.2.1. Воздействие на литосферу При выходе из строя, а также устаревании компонентов, ПЭВМ начинает представлять собой источник второсортного сырья. Каждый ПЭВМ содержит цветные металлы и целый набор опасных для окружающей среды веществ. Это производные газов, тяжелые металлы, среди которых кадмий, ртуть и свинец .

Попадая на свалку, все эти вещества под воздействием внешней среды постепенно проникают в почву .

Люминесцентные лампы при перегорании становятся источником загрязнения. Лампы содержат внутри себя ртуть, которая загрязняет окружающую среду. Кроме того, их корпус состоит преимущественно из стеклянной трубки, которая при неосторожном обращении может разбиться на мелкие осколки .

Документы, перенесенные на бумагу, становятся источником бумажных отходов. Такие отходы медленнее разлагаются из-за предварительной обработки бумаги, а также содержат на себе следы краски, которая попадая в почву ее загрязняет .

Юридические лица имеют право утилизировать оргтехнику только при прохождении процедуры полного списания, подтвержденного актом [43] .

Томский политехнический университет является юридическим лицом, поэтому перегоревшие люминесцентные лампы собираются техническим персоналом, а затем передаются в центр по переработке таких ламп, у которого имеется лицензия на право сбора и переработки люминесцентных ламп [43]. Для макулатуры существуют специально установленные контейнеры, в которые помещаются отработавшие печатные издания, офисная бумага и другие изделия из переработанной целлюлозы. Они отвозятся в пункты по сбору макулатуры, где утилизируются .

4.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях

4.3.1. Пожарная безопасность Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защиты. Пожарная профилактика включает комплекс мероприятий, направленных на предупреждение пожара или уменьшение его последствий. Возникновение пожара в помещении аудитории может привести к большим материальным потерям и возникновению чрезвычайной ситуации. Чрезвычайные ситуации приводят к полной потере информации и большим трудностям восстановления всей информации в полном объёме .

Согласно нормам технологического проектирования [40], данное помещение относится к категории В [41], производства, связанные с обработкой или применением твердых сгораемых веществ и материалов .

В случае возникновения пожара необходимо отключить электропитание, вызвать по телефону пожарную команду, произвести эвакуацию и приступить к ликвидации пожара огнетушителями. При наличии небольшого очага пламени можно воспользоваться подручными средствами с целью прекращения доступа воздуха к объекту возгорания. Покидать помещение необходимо согласно плану эвакуации на рисунке 15 .

Рисунок 15 – план эвакуации при пожаре и других ЧС из помещений учебного корпуса №10, пр. Ленина, 0 этаж Пожар будет являться чрезвычайной ситуацией для людей находящихся в помещении. При возникновении пожара сработают датчики дыма, которые подадут сигнал общего оповещения всего здания. На плане (рисунок 15) показаны запасные выходы. Кроме того, в коридоре установлены пожарные огнетушители .

4.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 4.4.1. Особенности законодательного регулирования проектных решений Государственный надзор и контроль в организациях независимо от организационно-правовых форм и форм собственности осуществляют специально уполномоченные на то государственные органы и инспекции в соответствии с федеральными законами .

К таким органам относятся Федеральная инспекция труда, Государственная экспертиза условий труда Федеральная служба по труду и занятости населения (Минтруда России Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомном надзору (Госгортехнадзор, Госэнергонадзор, Госатомнадзор России) Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Госсанэпиднадзор России) и др .

Так же в стране функционирует Единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС), положение о которой утверждено Постановлением Правительства Российской федерации [41], в соответствии с которым, система объединяет органы управления, силы и средства .

4.4.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 4.4.3. Эргономические требования к рабочему месту

–  –  –

Рисунок 17 – Размещение основных и периферийных составляющих ПК Для комфортной работы эргономика рабочего пространства должна удовлетворять следующим требованиям. [43] На рабочем месте оборудованы рабочие столы, которые соответствуют рисунку 17 .

4.4.4. Окраска и коэффициенты отражения В помещениях, где находится компьютер, обеспечены следующие величины коэффициента отражения для потолка 60-70, для стен 40-50, для пола около 30 .

Выводы В ходе исследования по социальной ответственности было выявлено три источника вредных и опасных факторов: разработка системы управления в учебной аудитории; проверка работы симулятора в учебных целях в учебной аудитории; эксплуатация симулятора в учебной аудитории .

Исходя из этого, были выделены и проанализированы вредные и опасные факторы. Для них были установлены средства, которые помогают защитить человека, который находится в данном помещении, от выявленных вредных и опасных факторов .

Анализу были подвергнуто влияние работы на рабочем месте на окружающую среду. Установлено, что после работы остаются бумажные отходы и перегоревшие люминесцентные лампы, которые при неправильной утилизации будут влиять на литосферу Земли. Выявлено, что отходы утилизируются согласно ГОСТ .

Кроме того, исследовались правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности и организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны .

В итоге, установлено, что рабочее место соответствует ГОСТ по защищённости от вредных и опасных факторов, при работе соблюдаются правила по утилизации полученных отходов. Так же она соответствует правовым нормам и имеет соответствующую компоновку рабочей зоны .

Заключение Результатом выполнения выпускной квалификационной работы является программно-алгоритмический комплекс управления для учебного робототехнического стенда .

Созданная модель робота-манипулятора дает возможность получить визуализированное движение модели робота согласно параметрам, которые задает пользователь. Также полученная динамическая трехмерная модель отражает действие физических сил на манипулятор и позволяет менять их расположение и задавать необходимые параметры и усилия для проведения опытов и наблюдений .

В будущем полученные результаты будут использованы для усовершенствования программно-алгоритмического комплекса управления, для расширения его функционала, а также для апробации на реальном робототехническом стенде .

Список публикаций студента

1. Зуева С. В. Использование Microsoft visual studio для решения прямой и обратной задач кинематики / С. В. Зуева, А. С. Беляев // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: сборник трудов XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г.Томск, 22-23 марта 2016 г. — Томск: Изд-во ТПУ, 2016. — [С. 45-47] .

2. Зуева С. В. Создание 3D модели манипулятора в MatLab Simulink / С. В .

Зуева, А. С. Беляев // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 04-07 декабря 2017 г., г. Томск. — Томск: Изд-во ТПУ, 2017. — [С. 104-105] .

Список литературы и использованных источников

1. Иванов А.А. Основы робототехники: учебное пособие. Москва: Высшее образование, 2012. Изд. Высшее образование. 223 с .

2. Волков, Николай Иванович. Электромашинные устройства автоматики:

учебное пособие / Н. И. Волков, В. П. Миловзоров. — 2-е изд., перераб .

и доп.. — Москва: Высшая школа, 1986. — 335 с .

3. Sk Skolkovo URL: http://sk.ru (дата обращения: 20.04.2018) .

4. Программное обеспечение KUKA.Sim // KUKA URL:

https://www.kuka.com (дата обращения: 20.04.2018) .

5. Simulation & OLP // Kawasaki Robotics URL: https://robotics.kawasaki.com (дата обращения: 25.04.2018) .

6. Training and simulator // ABB URL: https://new.abb.com (дата обращения:

19.04.2018) .

7. V-REP // Coppelia Robotics V-REP URL: http://www.coppeliarobotics.com/ (дата обращения: 19.04.2018) .

8. Model. Program. Simulate. Transfer. // WebotsRobot Simulation URL:

https://www.cyberbotics.com/ (дата обращения: 22.04.2018) .

9. Robot simulation made easy. // Gazebo URL: http://gazebosim.org/ (дата обращения: 22.04.2018) .

10. Mansor N.N. и др. A Study of Accuracy and Time Delay for Bilateral Master-Slave Industrial Robotic Arm Manipulator System // MATEC Web Conf .

2018. Т. 150. С. 1–7. Cefalo M., Magrini E., Oriolo G. Parallel collision check for sensor based real-time motion planning // 2017 IEEE Int. Conf .

Robot. Autom. 2017. С. 1936–1943 .

11. Cefalo M., Magrini E., Oriolo G. Parallel collision check for sensor based real-time motion planning // 2017 IEEE Int. Conf. Robot. Autom. 2017. С .

1936–1943 .

12. Scherzinger S., Roennau A., Dillmann R. Forward Dynamics Compliance Control (FDCC): A new approach to cartesian compliance for robotic manipulators // IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst. 2017. Т. 2017–September. С .

4568–4575 .

13. Tao S., Yang Y. Collision-free motion planning of a virtual arm based on the FABRIK algorithm // Robotica. 2017. Т. 35. № 6. С.1431–1450 .

14. Hwang S., Choi Y. Tracking the joints of arthropod legs using multiple images and inverse kinematics // Int. J. Precis. Eng. Manuf. 2015. Т. 16. № 4 .

С. 669–675.Nagy., Vajk I. LP-based velocity profile generation for robotic manipulators // Int. J. Control. 2018. Т. 91. № 3. С.582–592 .

15. Salim A., Eray Er.,. и др. Performance Evaluation of the Grid-based FastSLAM in V-REP Using MATLAB // Т. 5. С.3–8 .

16. Sanchez-Lopez J.L. и др. A Real-Time 3D Path Planning Solution for Collision-Free Navigation of Multirotor Aerial Robots in Dynamic Environments // J. Intell. Robot. Syst. Theory Appl. 2018. С .

17. Rojas-Fernandez M. и др. Performance comparison of 2D SLAM techniques available in ROS using a differential drive robot // 2018 Int. Conf. Electron .

Commun. Comput. 2018. С. 50–58 .

18. 1. Yun Y., Li Y. A general dynamics and control model of a class of multiDOF manipulators for active vibration control // Mech. Mach. Theory. 2011 .

Т. 46. № 10. С. 1549–1574 .

19. 1. Li Y., Xu Q. Design and robust repetitive control of a new parallel-kinematic XY piezostage for micro/nanomanipulation // IEEE/ASME Trans .

Mechatronics. 2012. Т. 17. № 6. С. 1120–1132 .

20. 1. Liu L. и др. Smooth trajectory planning for a parallel manipulator with joint friction and jerk constraints // Int. J. Control. Autom. Syst. 2016. Т. 14 .

№ 4. С. 1022–1036 .

21. Kim S., Shukla A., Billard A. Catching objects in flight // IEEE Trans. Robot .

2014. Т. 30. № 5. С. 1049–1065 .

22. Khatib M., Khudir K. Al, Luca A. De. Visual coordination task for humanrobot collaboration // IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst. 2017. Т. 2017– Septe. С. 3762–3768 .

23. Крейг, Джон Дж.. Введение в робототехнику: механика и управление:

пер. с англ. / Д. Дж. Крейг. — Ижевск; Москва: Институт компьютерных исследований, 2013. — 543 с.: ил.. — Динамические системы и робототехника. — Предметный указатель: с. 525-543. — ISBN 978-5-4344Ломовцева Е.И., Челноков Ю.Н. «Дуальные матричные и бикватернионные методы решения прямой и обратной задач кинематики роботовманипуляторов на примере стэнфордского манипулятора» .

25. Chelnokov Yu. N. Biquaternion Solution of the Kinematic Control Problem for the Motion of a Rigid Body and Its Application to the Solution of Inverse Problems of Robot-Manipulator Kinematics. Mechanics of Solids [Izv. RAN .

Mehanika tverdogo tela], 2013, vol. 48, no. 1. pp. 31-46 .

26. Лапиков А.Л., Пащенко В.Н., Масюк В.М. «Модификация метода решения прямой задачи кинематики для класса платформенных манипуляторов с шестью степенями свободы, наука и образование»: Научное Издание Мгту Им. Н.Э. Баумана, Номер: 11 Год: 2014 Страницы: 72-94, Издательство: Московский Государственный Технический Университет Им. Н.Э. Баумана (Москва), Issn: 1994-0408 .

27. Балакин Павел Дмитриевич, Шамутдинов Айдар Харисович, «Решение прямой и обратной задач кинематики оригинальной части шестикоординатного манипулятора», Альманах современной науки и образования, Номер: 10 (77) Год: 2013 Страницы: 24-27 .

28. Aristidou A., Lasenby J. FABRIK: A fast, iterative solver for the Inverse Kinematics problem // Graph. Models. 2011. Т. 73. № 5. С. 243–260 .

29. Зуева С. В. Использование Microsoft visual studio для решения прямой и обратной задач кинематики / С. В. Зуева, А. С. Беляев // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: сборник трудов XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г.Томск, 22-23 марта 2016 г. — Томск: Изд-во ТПУ, 2016. — [С. 45-47] .

30. Зуева С. В. Создание 3D модели манипулятора в MatLab Simulink / С. В .

Зуева, А. С. Беляев // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 04-07 декабря 2017 г., г. Томск. — Томск: Изд-во ТПУ, 2017. — [С. 104-105] .

31. СанПиН "Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы." от 21 июня 2003 г. № 2.2.2/2.4.1340-03 // Российская газета .

32. СНиП "Естественное и искусственное освещение." от 1 января 1996 г .

№ 23-05-95 // Российская газета .

33. СН "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории застройки." от 31 октября 1996 г. № 2.2.4/2.1.8.562

– 96 // Российская газета .

34. ГОСТ "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях." от 1 января 2013 г. № 30494—2011 // Российская газета .

35. Инструкция "Инструкция по организации работ, охране труда и экологической безопасности при работе на ПЭВМ /ПК/ в издательствах и на полиграфических предприятиях Госкомпечати России" от 17 июня 2011 г. Российская газета .

36. ГОСТ Р "Безопасность оборудования информационной технологии, включая электрическое конторское оборудование." № 50377-92 (МЭК 950-86) // Российская газета .

37. ГОСТ "Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования." № 12.2.032-78 // Российская газета .

38. НПБ "Нормы пожарной безопасности. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности." от 1 мая 2009 г. № 105-03 // Российская газета .

39. Технический регламент «о требованиях пожарной безопасности» [Электронный ресурс] / Единая справочная служба Консорциума «Кодекс». – URL: http://ezproxy.ha.tpu.ru:2065/docs/, свободный – Загл. с экрана .

Язык русс. Дата обращения: 3.04.2018 г .

40. Закон Российской Федерации "Трудовой кодекс Российской Федерации" от 30 декабря 2001 г. № N 197-ФЗ // Российская газета .

41. СанПиН "Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы «Гигиениче-ские требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы" от 28 мая 2010 г. № 2.2.2/2.4.1340 – 03 // Российская газета .

42. Закон Российской Федерации "ОБ ОТХОДАХ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ" от 22 мая 1998 года № N 89-ФЗ // Российская газета .

43. ГОСТ "ССБТ. Защитное заземление, зануление." от 1 июля 1982 г. № 12.1.030–81 // Российская газета .

–  –  –

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на разработку программно-алгоритмического комплекса управления для учебного робототехнического стенда в среде «Matlab»

Шифр: «Манипулятор»

Назначение: СКУ РМ предназначена для управления учебным-роботом манипулятором .

Область применения: Учебные стенды, проведение лабораторных работ .

Объект управления: Мини-манипулятор, входящий в состав робототехнического комплекса, подключённого к персональному компьютеру .

Система должна обеспечивать выполнение следующих функций:

1 .

1.1. Определение положения рабочего органа манипулятора .

1.2. Определение углов поворота по заданному положению рабочего органа манипулятора .

1.3. Визуализация движения трехмерной модели манипулятора .

Система должна обеспечивать выполнение следующих функций в интерактивном режиме взаимодействия с пользователем:

2.1. Необходимые данные, задаваемые пользователем:

2.1.1. Задание координат рабочего органа .

–  –  –

L1=1;

L2=0.5;

L3=0.3;

x=-0.354;

y=0;

z=1.654;

syms q1 q2 q3;

A = -sin(q1)*(L2*cos(q2)+L3*cos(q2+q3)) == x;

B = cos(q1)*(L2*cos(q1)+L3*(cos(q2+q3))) == y;

C = L1+L2*sin(q2)+L3*sin(q2+q3) == z;

[Q1,Q2,Q3]=solve([A;B;C],q1,q2,q3) k1=abs(double (Q1));

k2=abs(double (Q2));




Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Инженерная школа информационных технолог...»

«ПРОТОКОЛ N 33 Очередного заседания Правления Некоммерческого партнерства "Сибирское некоммерческое партнерство проектных организаций" г. Красноярск 22 декабря 2009 г. Члены Правления НП "Сибирское некоммерческое партнерство проектных организаций", далее НП "Проекты Сиб...»

«[ Содержание ] Уважаемый покупатель! [ Условия эксплуатации ] Благодарим за то, что вы приобрели Гибрид радар-детектора и [ Краткое описание ] видеорегистратора Neoline Х-СОР 9200. Внимательно и до конца прочитайте данное руководство, ч...»

«РЕШЕНИЯ  СОВЕТА ДЕПУТАТОВ ГОРОДА НОВОСИБИРСКА  СОВЕТ ДЕПУТАТОВ ГОРОДА НОВОСИБИРСКА РЕШЕНИЕ г. Новосибирск От 09.10.2007 № 705 О департаменте строительства и архитектуры мэрии города Новосибирска В соответствии с Фед...»

«Вестник Евразийской науки 2018, №3, Том 10 ISSN 2588-0101 The Eurasian Scientific Journal 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №3, Том 10 / 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today/i...»

«Представителю ликвидатора Акционерного общества "Негосударственный пенсионный фонд "Уральский финансовый дом" (АО "НПФ "Урал ФД") А.М. Кожемякину В соответствии с Договором № 2018-2611/49 от 22 мая 2018 г. специалистами ООО "Экспертно-правовое Бюро" была проведена оценка рыночной стоимости прав требования к...»

«РПБ № 84035624.02.36127 стр. 3 Масла моторные универсальные всесезонные G-Profi MSI Действителен до 28.10.2019 г. из 15 по СТО 84035624-041-2011 1. Идентификация химической продукции и сведения о производителе или поставщике 1.1. Идентификация химической продукции Масла моторные универсальные в...»

«Труды МАИ. Выпуск № 83 www.mai.ru/science/trudy/ УДК: 621.391.31 Оценка целостности сигналов в печатных платах системы автономной навигации космического аппарата Суровцев Р.С.*, Газизов Т.Р. ** Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, ТУСУР, проспект Ле...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.