Спец. курс

Саратовский Государственный Технический
Университет
«Утверждаю»
Декан ФЭТиП, доцент
А.А. Большаков
«___»__________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины «Моделирование и исследование роботов»
для студентов специальности ....................
(Спец.курс)
Факультет электронной техники и промышленности
Кафедра «Системы искусственного интеллекта»
Курс - 5
Семестр - 9
Всего часов —136
Лекции - 34
Лабораторные занятия —
Практические занятия - 34
Курсовая работа — 9
СРС - 68
Экзамен - 9 сем
Программа одобрена методической комиссией по специальности 2103.00
протокол № 18 от 09.05.2006 г.
Председатель УМКС, зав. кафедрой СИИ, проф.
В.П. Глазков
Саратов – 2006
1. Пояснительная записка
1.1. Цель преподавания дисциплины
Внедрение в производственные процессы промышленных роботов (ПР),
роботизированных систем (РТС) и комплексов (РТК) резко повышает требования к
организации процесса проектирования этих систем. Высокая стоимость и длительные
сроки разработки требуют разработки новых методов и средств проектирования систем
на качественно новом уровне. Важную роль в деле интенсификации проектноконструкторских работ призваны сыграть методы моделирования систем,
ориентированные на использование ЭВМ, позволяющие оперативно оценивать
функционирование разрабатываемых систем или составляющих их подсистем, блоков и
устройств.
Основой моделирования является теория подобия, которая подразумевает, что
абсолютное подобие моделируемого объекта и модели может иметь место лишь при
замене изучаемого объекта полным его аналогом, т.е. точно таким же объектом. В
практике моделирования к абсолютному подобию в связи с этим не стремятся. Более
того, попытка как можно более полно отразить свойства и характеристики сложного
объекта зачастую приводит к чрезмерному усложнению модели, что существенно
снижает её практическую полезность. Поэтому одной из важнейших проблем
моделирования является разумное упрощение модели, т.е. выбор необходимой и
достаточной степени её подобия объекту моделирования.
Многообразие объектов, целей и задач моделирования порождает множество
различных типов моделей. В данном курсе основное внимание уделено
математическому моделированию, т.е. установлению соответствия между реальным
объектом и некоторой математической конструкцией, называемой математической
моделью.
Выбор математического аппарата для построения модели зависит как от природы
и свойств моделируемого объекта, так и от характера решаемой задачи. В данном курсе
рассматривается два основных объекта моделирования: манипуляционные роботы и
технологическая подсистема гибкого автоматизированного производства.
В настоящее время основу использования ЭВМ составляют объектноориентированные программы, т.е. программы и методы, привязанные к конкретным
классам устройств, а применительно к ПР — к конкретным подсистемам. В то же время
возникает необходимость комплексного взгляда на ПР и РТС как на сложные системы,
представляющие собой совокупность физически неоднородных подсистем —
механических, электро-гидромеханических, управляющих, информационных и т.д.
Основной целью данной дисциплины является развитие у студентов навыка
моделирования ПР, РТС и комплексов с учётом представления их как сложной
системы. Представление робота как сложной системы позволяет вскрыть связи между
подсистемами, конкретизировать их характер, определить количественные и
качественные характеристики связей, учесть степень взаимовлияния подсистем.
Автоматизированная модель сложной механической системы должна отражать её
комплексный характер, учитывать неоднородность состава и происходящих в ней
процессов. В этой связи возникают особые требования как к формам описания таких
систем, так и к средствам их моделирования и анализа.
1.2. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения данного курса студент должен знать:
 особенности и методы построения кинематических и динамических моделей
ПР, а также основные методы моделирования роботизированных
технологических процессов, систем и комплексов;
 методы снижения вычислительной сложности разрабатываемых моделей;
 численно-аналитические и программные средства моделирования ПР, РТС и
комплексов;
 эффективные алгоритмические и программные средства для решения
конкретных практических задач моделирования.
В результате изучения дисциплины студент должен уметь:
 разрабатывать алгоритмы построения моделей ПР и РТС, ориентированные на
использование ЭВМ, проводить их анализ и выбор с учётом вычислительной
сложности;
 осуществлять выбор необходимой и достаточной степени подобия модели и
моделируемого объекта;
 разрабатывать и использовать программные средства для решения
практических задач моделирования;
 эффективно использовать разрабатываемые модели, алгоритмические и
программные средства для исследования конкретных классов устройств и
систем с целью оптимизации их конструкций и технологических процессов.
1.3. Рекомендации по изучению дисциплины
Моделирование РТС и комплексов является неотъемлемой частью
проектирования новых и эффективного использования существующих систем.
Изучению дисциплины должно предшествовать помимо общеобразовательных
инженерных дисциплин изучение курсов «Механика роботов», «Автоматическое
управление в технических системах», «Механические исполнительные устройства
роботов», «Системный анализ». В курсе широко используются спецкурсы по высшей
математике, механике и управлению. При чтении лекционного материала необходимо
рассматривать конкретные примеры и задачи, способствующие лучшему усвоению
материала. На практических занятиях основное внимание обращается на методы
алгоритмизации, программирования рассматриваемых систем, а также их
исследованию с помощью ЭВМ и оптимизации.
2.Содержание дисциплины
2.1. Содержание учебных занятий и распределение лекционного материала.
2.1.1.(Лекция 1) Введение. Методы и алгоритмы решения задач кинематики
манипуляторов. Векторно-матричные методы. Методы на основе понятия вектора
конечного поворота, их дуальные аналоги. — 2ч.
2.1.2.(Лекция 2) Сравнение различных методов с точки зрения их вычислительной
сложности. Примеры. —2ч.
2.1.3.(Лекция 3) Задачи планирования траекторий движения манипулятора.
Сравнительный анализ различных подходов и моделей с точки зрения эффективности
управления движением в режиме реального времени. — 2ч.
2.1.4.(Лекция 4) Планирование траекторий с использованием аппарата
кватернионов. Пример. — 2ч.
2.1.5.(Лекция 5) Методы и подходы к построению динамических моделей
манипуляторов. Анализ динамики манипулятора по степеням подвижности с учётом
основных нелинейностей: трение, зазоры в кинематических парах, нежесткость звеньев
и шарниров. — 2ч.
2.1.6.(Лекция 6) Методы и модели, учитывающие взаимовлияние степеней
подвижности. Обобщённая модель динамики и структурное представление
исполнительной системы робота. Пример расчёта вращательной степени подвижности
с электроприводом. — 2ч.
2.1.7.(Лекция 7,8) Построение динамических моделей многозвенных
манипуляторов. Сравнительный анализ методов Ньютона, Лагранжа, Гауса, связных
графов. «Рекурсивные» алгоритмы. — 4ч.
Модуль №1
2.1.8.(Лекция 9) Получение динамических моделей манипуляторов с
использованием винтового исчисления. — 2ч.
2.1.9.(Лекция 10) Учёт упругости при получении уравнений движения звеньев
манипулятора. Упругость основных звеньев и сочленений. — 2ч.
2.1.10.(Лекция 11,12) Особенности моделирования динамики манипулятора
применительно к конкретным технологическим процессам. Уравнения движения
манипулятора, выполняющего операцию сборки. Динамическая модель манипулятора
для технологического процесса, сопровождающегося контактным взаимодействием
инструмента и внешней поверхности. — 4ч.
2.1.11.(Лекция 13,14) Пример получения динамической модели манипулятора с
учётом нежесткости. Динамическая модель портального робота МРЛ-901П.
Оптимизация рабочего цикла манипулятора, выполняющего операции сборки,
сверления и др. с учётом длительности переходного процесса. — 4ч.
2.1.12.(Лекция 15) Методы моделирования роботизированных технологических
процессов и гибких автоматизированных производств. — 2ч.
2.1.13.(Лекция 16,17) Моделирование автоматизированного производства с
использованием аппарата систем массового обслуживания, сетей Петри. Дискретная
оптимизация. — 4ч.
Модуль №2
2.2. Перечень тем для практических занятий. — 17ч.
2.2.1.(Занятие 1,2) Построение кинематических моделей манипуляторов с
использованием различных кинематических параметров. Сравнение моделей по
точности и вычислительной сложности. — 4ч.
2.2.2.(Занятие 3,4) Решение задач планирования траекторий движения схвата в
декартовом пространстве и пространстве присоединённых координат. — 4ч.
2.2.3.(Занятие 5,6) Методы получения динамических моделей манипулятора. —
4ч.
2.2.4.(Занятие 7) Получение динамической модели мобильного робота. — 2ч.
2.2.5.(Занятие 8,9) Исследование модели РТК как системы массового
обслуживания. — 3ч.
2.3. Перечень тем лабораторных занятий - 17 ч.
2.3.1. Изучение способов экспериментального определения максимальных
ускорений, инерционных сил и моментов, действующих в системе схват-деталь - 5ч.
2.3.2. Исследование усилителей, возникающих при одноточечном и двухточечном
контактах при выполнении сборочной операции - 4 ч.
2.3.3. Изучение системы управления и методов решения навигационных задач
транспортного робота “Ротор-1” - 4 ч?
2.3.4. Исследование методов программирования задающего устройства в составе
человеко-машинного сборочного комплекса - 4 ч.
2.4. Примерный перечень тем для курсовых работ.
2.4.1.Выбор рациональных алгоритмов получения динамических моделей
манипулятора.
2.4.2.Разработка эффективных алгоритмов планирования траектории движения
манипулятора.
2.4.3.Решение обратной задачи кинематики многозвенных манипуляторов.
2.4.4.Построение динамической модели мобильного робота.
2.4.5.Моделирование дискретных процессов. Сети Петри с разноцветными
маркерами.
2.4.6.Построение моделей гибких роботизированных систем для конкретных
типов производства.
ЛИТЕРАТУРА
1.Веников В.А., Веников Г.В. Теория подоби
я и моделирования. — М.: Высшая школа,1984.
2.Динамика управления роботами /Под ред. Е.И. Юревича. — М.: Наука, 1984.
3.Медведев В.С. и др. Системы управления манипуляционных роботов.
4.Форсайт Дж. и др. Машинные методы математических вычислений. — М.: Мир,
1980.
5.Гилл Ф. и др. Практическая оптимизация: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985.
6.Котов В.Е. Сети Петри. — М.: Наука, 1984.
7.Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирования систем: Пер. с англ. — М.:
Мир, 1984.
8.Матвеев В.Ф., Ушаков В.Г. Системы массового обслуживания. — М.: Изд. МГУ,
1984.