Промышленные роботы. Кинематика, динамика, контроль и управление


Серия «Библиотека инженера»





                Булгаков А. Г., Воробьев В. А.





Промышленные роботы

Кинематика, динамика, контроль и управление












Москва СОЛОН-Пресс 2020

УДК 621.39
ББК 32.88+22.13
   Б 90

   Булгаков А. Г., Воробьев В. А.
Б90 Промышленные роботы. Кинематика, динамика, контроль и управление. Серия «Библиотека инженера». — М.: СОЛОН-Пресс, 2020. — 484 с.: ил.

   ISBN 978-5-91359-296-5

     В монографии изложены теоретические основы адаптации промышленных роботов для целей строительства. Рассмотрены технологические особенности строительных процессов и задачи их роботизации, сформулированы требования к роботизации строительных процессов и представлена структурная организация роботов и РТК для автоматизации строительных процессов. Описаны манипуляционные системы строительных роботов, алгоритмы решения задач кинематики и динамики манипуляторов и приводы промышленных роботов строительного назначения. Особое внимание уделено информационно-измерительным системам строительных роботов. Рассмотрены задачи планирования траекторий движений роботов при выполнении строительных операций и особенности управления строительными роботами.
     Для инженерно-технических работников строительных, проектных и научных организаций, занимающихся вопросами механизации, роботизации и автоматизации в строительстве, а также для студентов и аспирантов вузов.

По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
123001, г. Москва, а/я 82
Телефоны:(495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru

Ответственный за выпуск: В. Митин Технический редактор: Д. Соснин

ООО «СОЛОН-Пресс»
115487, г. Москва, пр-кт Андропова, дом 38, помещение № 8, комната № 2. Формат 60*88/16. Объем 30,125 п. л. Тираж 100 экз.

ISBN 978-5-91359-296-5     © Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2020
© Булгаков А. Г., Воробьев В. А., 2020

            Предисловие



     Строительство представляет собой одну из важных областей применения промышленных роботов. Технологические особенности строительных процессов накладывают существенные ограничения на масштабы внедрения уже имеющихся роботов и манипуляторов и требуют значительной доработки существующих конструкций. Успешная роботизация строительства возможна лишь при адаптации промышленных роботов к условиям строительной площадки — с одной стороны, и при ее организации, изначально ориентированной на применение роботов для выполнения различных операций, с другой стороны, т. е. это улица с двусторонним движением. Попытки внедрения роботов в строительстве предпринимаются на протяжении около 20 лет в различных странах мира. Наиболее значительные достижения в этой области могут быть отмечены в Японии, где этой задаче присвоен ранг государственной и она уже в третий раз подряд вносится в пятилетний план развития отрасли. Конечной целью японского правительства является создание экспортного потенциала интеллектуальных строительных технологий, способного превысить объемы экспорта в электронной и автомобильной отраслях промышленности, доходы от которых из-за чрезвычайно высокой конкуренции постоянно снижаются. Интересно, что в США, пусть с существенной задержкой, также произошло осознание значимости этой проблемы на федеральном уровне. Правительство этой страны активно финансирует исследовательские и конструкторские разработки, выделяет крупные гранты для привлечения зарубежных специалистов для работы в перспективных проектах и стремится сохранить свои ведущие позиции в такой гигантской по объемам инвестиций отрасли, как строительство.
     Ответ на вопрос, почему две страны с развитой рыночной экономикой, построенной, как известно, прежде всего, на бескомпромиссной и острой конкуренции частных фирм, вдруг вмешиваются в этот процесс и пытаются осуществить регулирующую роль, довольно прост. Практически, ни одному строительному концерну не под силу самостоятельно проводить длительные и дорогостоящие исследования и разработки, какими являются проекты по созданию строительных роботов. Долговременное отсутствие экономического эффекта, сложность всего комплекса мероприятий по

3

Предисловие

  требуемой реорганизации строительства, необходимость значительных затрат на основные и быстро стареющие фонды, наличие дешевой рабочей силы — лишь некоторые из факторов, затрудняющих решение такой грандиозной задачи, как роботизация строительства. Однако, в силу того, что строительство, наряду с сельским хозяйством и военной отраслью, относится к основополагающим факторам жизнедеятельности людей и государств, работы в данном направлении будут вестись, углубляться и расширяться. Процесс автоматизации и роботизации может быть ускорен и проходить с меньшими финансовыми затратами при наличии системного подхода.
    Достижения в области промышленной робототехники являются основой при роботизации строительства. Механический перенос существующих технических решений в совершенно иные условия по сравнению с машиностроением в подавляющем большинстве случаев невозможен. Поэтому необходимо заново решать задачи структурной организации роботов и робототехнических комплексов (РТК), искать оптимальные алгоритмы решения задач кинематики и динамики манипуляторов для целей строительства, осуществлять выбор информационно-измерительных систем и устройств, заниматься планированием траекторий движения роботов при выполнении различных операций, разрабатывать системы управления, функционирующие в условиях стохастической и недетерминированной среды.
    Всем этим вопросам посвящена настоящая монография. Авторы надеются на заинтересованный отклик специалистов, фирм и организаций, а также преподавателей строительных вузов.

4

            Глава 1. Особенности и эффективность роботизации в строительстве


        1.1. Технологические особенности строительных процессов и задачи их роботизации

    Роботизация строительного производства связана с целым рядом характерных особенностей. Объекты строительства отличаются большим разнообразием по назначению, объему, планировочным решениям, видам применяемых конструкций и материалов. В зависимости от конструктивных решений строятся монолитные, кирпичные, сборные и другие здания и сооружения. По строительно-технологическим признакам возводимые объекты могут быть однородными и неоднородными. Однородные объекты отличаются большей степенью унификации конструкций, имеют более стабильный технологический процесс, который характеризуется четко выраженными стадиями выполнения работ и наличием специализированных потоков. Отличительными особенностями неоднородных объектов являются индивидуальность конструктивных решений, использование разнохарактерных строительных конструкций, неравномерное распределение объемов работ, нестабильность строительной технологии и отсутствие четко выраженной стадии производства работ [7].
    По сравнению с другими отраслями технологические процессы в строительстве характеризуются низкой производительностью, тяжелым, монотонным трудом, повышенной опасностью работ, загрязненностью рабочей зоны (табл. 1.1). Сложность строительного производства, разнообразие технологических операций и особые условия их выполнения обусловливают низкий уровень комплексной механизации и автоматизации строительных процессов. Рассмотренные особенности строительного производства наиболее четко проявляются в связи с необходимостью увеличе

5

Глава 1. Особенности и эффективность роботизации в строительстве

  ния объема, повышения качества строительства и снижения его себестоимости. Это вызывает необходимость неотложного решения вопросов комплексной механизации и автоматизации строительных процессов, что позволит повысить технический уровень производства, поднять производительность труда, решить социально-экономические проблемы.
    Важную роль в этом направлении призвана сыграть роботизация отдельных видов операций. На современной стадии развития робототехники могут быть автоматизированы многие виды строительных работ. Роботизация строительных операций позволяет устранить недостающие звенья в системе комплексной механизации и автоматизации строительного производства, по-новому взглянуть на особенности выполнения работ, выявить потенциальные возможности для значительного улучшения основных показателей, оказать стимулирующее влияние на совершенствование технологии. При этом необходимо подчеркнуть, что автоматизация многих сложных строительных операций, отличающихся повышенной трудоемкостью, возможна лишь благодаря использованию роботов. Масштаб строительной отрасли, ее зависимость от ручного труда создают явный экономический потенциал для автоматизации и роботизации строительных процессов.
Таблица 1.1
Условия труда по различным видам строительных работ

                                                                      Условия труда                                                   
          Вид работ           Опасные Вредные Физически Повышенной    Стесненные Тяжелые грузы Вибрация Шум Повышенная Большая       
                                              тяжелые   напряженности                                       влажность  загрязненность
Разработка грунтов                                      •             •                        •        •              •             
Бурение шпуров                                          •                                      •        •       •                    
Сварные работы                                          •                              •       •        •                            
Кирпичная кладка                                  •                   •                                         •      •             
Укладка и уплотнение бетонной                     •                   •                        •        •       •      •             
смеси                                                                                                                                
Установка арматуры                                      •             •                                                              

6

1.1. Технологические особенности строительных процессов

Условия труда

Вид работ

  Монтаж и демонтаж опалубки, лесов
  Монтаж панелей, колонн, металлоконструкций
  Штукатурные работы Малярные работы Облицовка плиткой Оклеивания стен обоями Остекление витрин
  Устройство монолитных полов Устройство кровель
  Уборка помещений Прокладка коммуникаций Погрузочно-разгрузочные работы

   В мировой практике накоплен определенный опыт применения манипуляторов и роботов на строительных площадках при возведении различных объектов. В настоящее время исследования и разработки в области роботизации строительного производства выполняются во многих странах: Японии, США, Германии, Голландии, Франции, Англии, Польше и др. Положительную оценку российских и зарубежных строителей получили шарнирно-распределительные стрелы для подачи, распределения и укладки бетонной смеси. Рядом зарубежных фирм разработаны и внедрены в промышленное строительство многозвенные манипуляторы для горизонтального распределения, укладки и уплотнения бетонной смеси. Привлекает внимание строителей использование манипуляторов и роботов на погрузочно-разгрузочных операциях. Для этих целей созданы специализированные манипуляторы и роботы различной грузоподъемности.

7

Глава 1. Особенности и эффективность роботизации в строительстве

   Рядом зарубежных фирм получены обнадеживающие результаты по применению роботизированных средств на строительно-монтажных работах. Имеются предложения по использованию манипуляторов для выполнения монтажных операций: монтажа и демонтажа опалубок и инвентарных лесов, прокладки трубопроводов, установки внутренних перегородок зданий и др. Промышленные роботы начинают применяться для окрашивания строительных конструкций. Отечественные и зарубежные специалисты ведут разработку специализированных роботов с адаптивным управлением для нанесения малярных составов и лакокрасочных покрытий на вертикальные и горизонтальные поверхности. Интенсивно ведутся работы по роботизации штукатурных работ.
   Однако для широкомасштабного внедрения средств робототехники на строительных площадках и создания на их основе комплексов строительного оборудования с автоматическим управлением требуется решение сложных инженерно-технических задач. Это связано с многообразием выполняемых операций, их повышенной сложностью, многофакторностью, частой сменяемостью, разнообразием условий окружающей среды. Способы и условия производства работ также подвержены частым изменениям, что существенно затрудняет их механизацию и роботизацию. Технология многих строительных операций и отдельных видов работ нуждается в усовершенствовании и изменении с целью получения при внедрении роботов и РТК высоких технико-экономических показателей. Особенности строительного производства ставят проблему комплексного подхода к решению вопросов автоматизации и роботизации рабочих операций. Эффективность внедрения в строительстве средств робототехники и автоматики прямо зависит от того, насколько рационально организован технологический процесс на строительной площадке, как комплексно и полно решаются вопросы технологии, механизации, роботизации и автоматизации. Проведенный авторами анализ строительных процессов позволил определить перспективные направления внедрения средств робототехники в строительстве (табл. 1.2).
   Особое внимание необходимо уделять выбору технически и экономически целесообразных объектов роботизации, учитывая при этом как экономические, так и социальные факторы. В планы роботизации следует включать в первую очередь операции связанные с повышенной трудоемкостью, опасными и вредными услови

8

1.1. Технологические особенности строительных процессов

ями, которые не могут быть механизированы и автоматизированы более простыми и дешевыми средствами.
Таблица 1.2
Основные направления применения средств робототехники в строительном производстве

                  Область применения           Объекты       
Вид работ           робототехники           строительства    
                                            Ж  г    п   и   
Земляные   Бурение и закладка шпуров                •   •   
           Разработка и закрепление грунтов •       •   •   
           Подача свай в сваебойное         •  •    •   •   
 Свайные   оборудование                                     
           Обрезка свай                     •  •    •       
Каменные   Подача и расстилание раствора    •  •            
           Укладка кирпича                  •  •            
           Установка оконных и дверных      •  •    •       
           блоков                                           
           Монтаж колонн                       •    •   •   
           Монтаж стальных конструкций         •    •   •   
           Установка панелей и перегородок  •       •       
Монтажные  Герметизация и заделка стыков    •  •    •       
           Сварка конструкций при монтаже   •  •    •   •   
           Крепление конструкций при           •    •   •   
           монтаже                                          
           Очистка и окраска                   •    •   •   
           металлоконструкций                               
           Укладка бетонной смеси           •  •    •   •   
           Уплотнение бетонной смеси        •               
           Установка и крепление арматурных •  •    •   •   
           элементов                                        
Бетонные   Монтаж и демонтаж щитов          •  •    •   •   
           опалубки                                         
           Очистка и смазка щитов опалубки  •  •    •   •   
           Установка закладных деталей      •  •    •   •   
           Установка преобразователей       •  •    •   •   
           Нанесение и разравнивание        •  •    •   •   
Отделочные штукатурных составов                             
           Затирка поверхности              •  •    •   •   

9

Глава 1. Особенности и эффективность роботизации в строительстве

                   Область применения            Объекты       
 Вид работ            робототехники           строительства    
                                              Ж  г    П   и   
            Подготовка поверхности под        •  •    •   •   
            окраску                                           
            Нанесение грунтовок, окрасочных   •  •    •   •   
            составов                                          
            Оклеивание стен обоями            •               
            Облицовка стен плиткой            •  •    •   •   
Отделочные  Облицовка стен декоративными         •            
            плитами                                           
            Монтаж подвесных потолков            •    •       
            Покрытие полов плиткой               •    •       
            Остекление витрин                    •    •       
            Уборка помещений                  •  •    •       
            Подготовка поверхности            •  •    •       
Кровельные  Нанесение мастичных покрытий              •       
            Клейка рулонного ковра            •  •    •       
            Прокладка инженерных              •  •    •   •   
            коммуникаций                                      
            Монтаж технологического                   •   •   
Специальные оборудования                                      
            Разборка зданий и сооружений      •       •       
            Теплоизоляция трубопроводов       •       •   •   
            Монтаж и демонтаж лесов           •  •            
            Заделка оконных и дверных блоков  •  •            
            Погрузка и разгрузка конвейеров и                 
Погрузочно- поддонов, строительных            •  •    •   •   
загрузочные конструкций                                       
            Транспортировка и подача          •  •    •   •   
            конструкций в рабочую зону                        
            Окрашивание фасадов               •  •    •   •   
            Очистка фасадов                   •  •    •   •   
            Ремонт и окрашивание швов         •       •       
 Ремонтные  между панелями                                    
            Очистка и окраска стальных                •   •   
            конструкций                                       
            Испытательные и проверочные          •    •   •   
            работы                                            

   * Ж — жилые; Г — гражданские; П — промышленные; И — инженерно-технические

10