Управление движением:где математика и физика предотвращают столкновения

Сочетая в себе электрическую и механическую инженерию, проектирование программного и аппаратного обеспечения и опираясь на идеи, полученные в таких различных областях, как биология, этика и психология, робототехника является поистине многопрофильной областью.

Математика и физика занимают центральное место и, конечно же, взаимосвязаны. И оба используются для автоматизации, не вызывающей столкновений.

В этом посте мы подробно рассмотрим основы управления движением, кинематики и кинетики. Мы будем делиться ссылками на полезные ресурсы, чтобы узнать больше об управлении движением и связанных с ним концепциях, из архивов A3 и других источников.

Что такое управление движением?

Как следует из названия, «управление движением» относится к подполе автоматизации, которое связано с достижением контролируемого движения всех отдельных частей автоматизированной системы. Управление движением внутренних двигателей, наконечников захватов, порталов и всех других компонентов современной комплексной автоматизации требует понимания ключевых физических понятий, таких как сила, движение и крутящий момент, и способности применять сложные алгоритмы управления к реальному оборудованию.

При успешном развертывании управление перемещением гарантирует, что каждая часть системы находится там, где должна в любой момент времени, что обеспечивает общую надежность и повторяемость.

«Управление движением» иногда используется в строгом смысле слова управления движением только двигателей, но в самом широком смысле этот термин охватывает все части автоматизированной системы, такие как захваты и порталы. В этом более широком смысле управление движением включает планирование траектории, кинетику и кинематику.

Типичная система управления движением состоит из трех компонентов:контроллера движения, усилителя и одного или нескольких двигателей.

Контроллеры движения - это мозг операции, отвечающий за обеспечение работы двигателя в соответствии с требованиями конечного пользователя, включая его траекторию. Контроллеры движения уменьшились в размерах - и стали умнее - за последние годы, что позволяет производителям включать интеллектуальное управление движением в свои конструкции инновационными и все более полезными способами.

Серия электронных курсов Yaskawa America на YouTube включает этот полезный обзор основ управления движением:

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Кинематика

В физике кинематика - это подполе, которое описывает движение точек, тел и систем тел относительно друг друга посредством геометрии.

В робототехнике кинематика относится к геометрии движения робота и включает кинематические уравнения, которые позволяют рассчитывать положение различных точек в системе автоматизации. Крайне важно, что кинематика не принимает во внимание силы, вызывающие движение, она просто учитывает, возможно ли движение.

Прямая кинематика включает вычисление положения рабочего органа на основе заданных значений параметров соединения. Обратная кинематика вычисляет соответствующие углы суставов на основе положения рабочего органа.

Серия видеороликов Стэнфордского университета «Введение в робототехнику» включает эту полезную лекцию о концепциях кинематики:

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Кинетика

В физике кинетика относится к изучению сил, действующих на тела или частицы, которые вызывают их движение. В робототехнике это включает в себя расчет и оценку крутящих моментов и сил, включая электрический ток, присутствующих в системе. Уравнения Ньютона-Эйлера и Лагранжа используются здесь для создания динамической модели системы автоматизации или для определения сил и моментов, действующих на жесткие звенья робота-манипулятора.

Дополнительная литература из архива A3:

Что такое управление движением?

Обеспечение функциональности замкнутого цикла в шаговых двигателях

И не только:

Центр робототехники и биосистем Северо-Западного университета в США выпустил серию видеороликов в качестве дополнения к «Современной робототехнике:механика, планирование и управление» (Линч и Park, Cambridge University Press, 2017), все из которых доступны на YouTube, в том числе:

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Руководство профессора Квинслендского университета Майкла Милфорда по прямой и обратной кинематике:

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Кинематика и кинетика роботов - краткий обзор, ScienceDirect