Помощь студентам в учебе
Система управления манипуляторами подводного робота “Odyssey”
|
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ ПОДВОДНОГО РОБОТА 11
ВВЕДЕНИЕ 14
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 16
2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ ПОДВОДНОГО
АППАРАТА 21
2.1 Разработка структурной схемы проектируемой системы 21
2.2 Разработка функциональной схемы проектируемой системы 22
2.3 Выбор и обоснование элементов системы 25
2.4 Диаграммы работы шагового двигателя 35
2.5 Алгоритм работы системы манипуляторов 36
2.5.1 Алгоритм работы микроконтроллера Atmega 8A 36
2.5.2 Алгоритм работы системы управления манипулятором 38
2.5.3 Алгоритм работы системы управления манипуляторами 43
2.6 Конструкторская документация 43
3. РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА МАНИПУЛЯТОРА ПОДВОДНОГО АППАРАТА
ODYSSEY 44
3.1 Описание проектируемого манипулятора 44
3.2 Характеристики и особенности проектируемого манипулятора 45
3.3 Сборка манипулятора 46
3.4 Программное обеспечение для манипулятора 51
3.5 Конструкторская документация 55
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И рЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 56
4.1 Организация и планирование работ 57
4.1.1 Продолжительность этапов работ 59
4.1.2 Расчет накопления готовности проекта 64
4.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта 65
4.2.1 Расчет затрат на материалы и покупные изделия 65
4.2.2 Расчет заработной платы 67
4.2.3 Расчет затрат на электроэнергию 68
4.2.4 Расчет затрат на социальный налог 69
4.2.5 Расчет амортизационных расходов 69
4.2.6 Расчет прочих (накладных) расходов 70
4.2.7 Расчет общей себестоимости разработки 70
4.2.8 Расчет прибыли, НДС и цены разработки НИР 71
4.3 Оценка экономической эффективности проекта 71
4.3.1 Оценка научно-технического уровня НИР 73
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА_«СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» 75
Введение 77
5.1 Производственная безопасность 78
5.1.1 Освещённость рабочей зоны 78
5.1.2 Уровень шума 80
5.1.3 Уровень электромагнитных излучений; напряжённость электрического поля 82
5.1.4 Параметры микроклимата 83
5.1.5 Вредные вещества, проникающие в организм человека через органы дыхания 84
5.1.6 Электрический ток (источник: ПК) 85
5.1.7 Термическая опасность (источником является паяльная станция) 86
5.2 Экологическая безопасность 87
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 88
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 91
5.4.1 Правовые нормы трудового законодательства 91
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 97
Список использованных источников 101
Приложение А 106
Приложение Б 124
Приложение В 129
Приложение Г 131
Приложение Д 135
Приложение Е 139
Приложение Ж 143
ВВЕДЕНИЕ 14
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 16
2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ ПОДВОДНОГО
АППАРАТА 21
2.1 Разработка структурной схемы проектируемой системы 21
2.2 Разработка функциональной схемы проектируемой системы 22
2.3 Выбор и обоснование элементов системы 25
2.4 Диаграммы работы шагового двигателя 35
2.5 Алгоритм работы системы манипуляторов 36
2.5.1 Алгоритм работы микроконтроллера Atmega 8A 36
2.5.2 Алгоритм работы системы управления манипулятором 38
2.5.3 Алгоритм работы системы управления манипуляторами 43
2.6 Конструкторская документация 43
3. РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА МАНИПУЛЯТОРА ПОДВОДНОГО АППАРАТА
ODYSSEY 44
3.1 Описание проектируемого манипулятора 44
3.2 Характеристики и особенности проектируемого манипулятора 45
3.3 Сборка манипулятора 46
3.4 Программное обеспечение для манипулятора 51
3.5 Конструкторская документация 55
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И рЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 56
4.1 Организация и планирование работ 57
4.1.1 Продолжительность этапов работ 59
4.1.2 Расчет накопления готовности проекта 64
4.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта 65
4.2.1 Расчет затрат на материалы и покупные изделия 65
4.2.2 Расчет заработной платы 67
4.2.3 Расчет затрат на электроэнергию 68
4.2.4 Расчет затрат на социальный налог 69
4.2.5 Расчет амортизационных расходов 69
4.2.6 Расчет прочих (накладных) расходов 70
4.2.7 Расчет общей себестоимости разработки 70
4.2.8 Расчет прибыли, НДС и цены разработки НИР 71
4.3 Оценка экономической эффективности проекта 71
4.3.1 Оценка научно-технического уровня НИР 73
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА_«СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» 75
Введение 77
5.1 Производственная безопасность 78
5.1.1 Освещённость рабочей зоны 78
5.1.2 Уровень шума 80
5.1.3 Уровень электромагнитных излучений; напряжённость электрического поля 82
5.1.4 Параметры микроклимата 83
5.1.5 Вредные вещества, проникающие в организм человека через органы дыхания 84
5.1.6 Электрический ток (источник: ПК) 85
5.1.7 Термическая опасность (источником является паяльная станция) 86
5.2 Экологическая безопасность 87
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 88
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 91
5.4.1 Правовые нормы трудового законодательства 91
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 97
Список использованных источников 101
Приложение А 106
Приложение Б 124
Приложение В 129
Приложение Г 131
Приложение Д 135
Приложение Е 139
Приложение Ж 143
Объектом исследования является манипуляционная система, которая предназначена для комплектации подводного аппарата «Odyssey» для транспортировки объемных грузов, проведения мелких и сопроводительных ремонтных работ под водой.
Цель работы - разработка и исследование модели системы управления манипуляторами подводного робота “Odyssey”, изготовление макета манипулятора.
В процессе исследования произведён аналитический обзор по теме, изучены существующие российские и зарубежные технические решения, спроектирована система управления манипуляторами подводного аппарата. Для конечного продукта разработан алгоритм и написано программное обеспечение на языке C++.
Результаты исследований позволят использовать собственную систему манипулирования, установленную на аппарате. Появится возможность производить дальнейшую работу в данном направлении на базе лаборатории «Телекоммуникации, приборостроения и морской геологии ТПУ». Все разрабатываемые системы могут послужить стендовыми прототипами для выполнения лабораторных работ студентами младших курсов.
Областями применения проектируемой системы в составе комплекса подводного аппарата являются: экология, в том числе исследование дна водоемов, обнаружение и подъем объектов и их последующая транспортировка; энергетика - обследование подводных сооружений, в том числе трубопроводов, прокладка и ревизия силовых и информационных кабелей; картография - картография рельефа дна водоемов); геология - геология месторождений полезных ископаемых, в т.ч. нефти и газа.
В будущем планируется доработать манипуляционную систему, произвести эксперименты на реальном образце, использовать готовое устройство в качестве лабораторного стенда. В рамках работы над проектом по программе «УМ- НИК-НТИ» планируется подать патент "Способ захвата и удержания объектов с сохранением стабилизации подводного робота" во втором квартале 2018 года.
В настоящее время для исследования и освоения Мирового океана активно используются подводные роботы, оснащенные манипуляторами. С их помощью удается выполнять многие сложные технологические операции на разных глубинах погружения. Сейчас наблюдается непрерывное расширение областей применения подводных робототехнических систем за счет выполнения ими новых видов работ. Качественное выполнение подводных манипуляционных операций требует создания принципиально новых систем управления не только подводными аппаратами, но и манипуляторами как их составными частями. В связи с этим, перед многими ведущими мировыми научно-исследовательскими центрами стоит задача разработки систем управления манипуляторами, в том числе универсальных, ориентированных на определенные классы подводных роботов.
Совершение манипуляционных операций, выполняемых подводным роботом необходимо не только для того, чтобы производить захват грузов с морского дна, но и для выполнения ряда ремонтных работ. Как пример, это сварка подводных трубопроводов, перекрытие задвижек, в случае отказа оборудования и т.п. Стоит сказать о том, что человечество заложило на дно мирового океана огромное количество трубопроводов, среди которых по своей протяженности и разветвленности можно выделить подводные трубопроводные системы, находящиеся на дне Северного моря, Балтике и др. По международным правилам проводить инспекцию таких подводных объектов требуется минимум 2 раза в год. Проблема заключается в том, что на морском дне мощные подводные течения, грунт, на который кладут трубу, со временем вымывается, образуя провисы. Трубы начинают провисать, подвергаясь поперечному давлению столба жидкости. [1]
Цель данной работы состоит в разработке манипуляционной системы для телеуправляемого подводного аппарата. Объектами исследования являются
сам манипулятор и система взаимодействия между манипуляторами. Проектируемая манипуляционная система предназначена для захвата габаритных объектов и их последующей транспортировке под водой, а также сопровождении ремонтных работ водолазов на подводных трубопроводах.
В ходе выполнения работы были разработаны основные типы схем (структурная, функциональная, электрическая принципиальная), алгоритмы работы СУМ с пояснениями, программный код для работы одного манипулятора. В ходе работы, для демонстрации будущего устройства, был изготовлен прототип трехзвенного манипулятора, который в полной мере соответствует работе реального. Показаны программные решения для трех различных режимов работы манипулятора и его управления. Благодаря алгоритмам работы СУМ появляется возможность производить захват и транспортировку грузов аппаратом без привлечения человека - по команде с операторского пульта. На основе спроектированного и собранного манипулятора произведены выводы и начата подготовка конструкторской документации для манипуляционной системы.
Научная новизна работы заключается в самой концепции СУМ и алгоритмах, имеющих двухуровневую систему, а также применении уже существующих методик для решения поставленных задач.
Цель работы - разработка и исследование модели системы управления манипуляторами подводного робота “Odyssey”, изготовление макета манипулятора.
В процессе исследования произведён аналитический обзор по теме, изучены существующие российские и зарубежные технические решения, спроектирована система управления манипуляторами подводного аппарата. Для конечного продукта разработан алгоритм и написано программное обеспечение на языке C++.
Результаты исследований позволят использовать собственную систему манипулирования, установленную на аппарате. Появится возможность производить дальнейшую работу в данном направлении на базе лаборатории «Телекоммуникации, приборостроения и морской геологии ТПУ». Все разрабатываемые системы могут послужить стендовыми прототипами для выполнения лабораторных работ студентами младших курсов.
Областями применения проектируемой системы в составе комплекса подводного аппарата являются: экология, в том числе исследование дна водоемов, обнаружение и подъем объектов и их последующая транспортировка; энергетика - обследование подводных сооружений, в том числе трубопроводов, прокладка и ревизия силовых и информационных кабелей; картография - картография рельефа дна водоемов); геология - геология месторождений полезных ископаемых, в т.ч. нефти и газа.
В будущем планируется доработать манипуляционную систему, произвести эксперименты на реальном образце, использовать готовое устройство в качестве лабораторного стенда. В рамках работы над проектом по программе «УМ- НИК-НТИ» планируется подать патент "Способ захвата и удержания объектов с сохранением стабилизации подводного робота" во втором квартале 2018 года.
В настоящее время для исследования и освоения Мирового океана активно используются подводные роботы, оснащенные манипуляторами. С их помощью удается выполнять многие сложные технологические операции на разных глубинах погружения. Сейчас наблюдается непрерывное расширение областей применения подводных робототехнических систем за счет выполнения ими новых видов работ. Качественное выполнение подводных манипуляционных операций требует создания принципиально новых систем управления не только подводными аппаратами, но и манипуляторами как их составными частями. В связи с этим, перед многими ведущими мировыми научно-исследовательскими центрами стоит задача разработки систем управления манипуляторами, в том числе универсальных, ориентированных на определенные классы подводных роботов.
Совершение манипуляционных операций, выполняемых подводным роботом необходимо не только для того, чтобы производить захват грузов с морского дна, но и для выполнения ряда ремонтных работ. Как пример, это сварка подводных трубопроводов, перекрытие задвижек, в случае отказа оборудования и т.п. Стоит сказать о том, что человечество заложило на дно мирового океана огромное количество трубопроводов, среди которых по своей протяженности и разветвленности можно выделить подводные трубопроводные системы, находящиеся на дне Северного моря, Балтике и др. По международным правилам проводить инспекцию таких подводных объектов требуется минимум 2 раза в год. Проблема заключается в том, что на морском дне мощные подводные течения, грунт, на который кладут трубу, со временем вымывается, образуя провисы. Трубы начинают провисать, подвергаясь поперечному давлению столба жидкости. [1]
Цель данной работы состоит в разработке манипуляционной системы для телеуправляемого подводного аппарата. Объектами исследования являются
сам манипулятор и система взаимодействия между манипуляторами. Проектируемая манипуляционная система предназначена для захвата габаритных объектов и их последующей транспортировке под водой, а также сопровождении ремонтных работ водолазов на подводных трубопроводах.
В ходе выполнения работы были разработаны основные типы схем (структурная, функциональная, электрическая принципиальная), алгоритмы работы СУМ с пояснениями, программный код для работы одного манипулятора. В ходе работы, для демонстрации будущего устройства, был изготовлен прототип трехзвенного манипулятора, который в полной мере соответствует работе реального. Показаны программные решения для трех различных режимов работы манипулятора и его управления. Благодаря алгоритмам работы СУМ появляется возможность производить захват и транспортировку грузов аппаратом без привлечения человека - по команде с операторского пульта. На основе спроектированного и собранного манипулятора произведены выводы и начата подготовка конструкторской документации для манипуляционной системы.
Научная новизна работы заключается в самой концепции СУМ и алгоритмах, имеющих двухуровневую систему, а также применении уже существующих методик для решения поставленных задач.
В ходе выполнения магистерской диссертации были достигнуты результаты, перечисленные ниже.
• Проведён аналитический обзор литературы по существующим манипуляционным системам подводных аппаратов
• Разработана структурная, функциональная и электрическая принципиальная схемы манипуляционной системы подводного аппарата.
• На основе анализа существующих технических решений и технического задания проведён выбор элементов системы.
• Составлен алгоритм работы одноплатного компьютера Raspberry Pi II B, микроконтроллера Atmega 8A.
Разработана и изготовлена электрическая часть устройства в виде платы с МК Atmega 8A, создан экспериментальный образец манипулятора по BD-модели, что позволяет решать следующие задачи:
• захват и удержание объектов манипулирования массой до 200г на вытянутом манипуляторе;
• осуществляется компьютерное управление манипулятором, что является имитацией реального АРМ оператора;
• манипулирование в рабочей зоне от 140мм до 300мм вокруг основания.
Спроектированный манипулятор также имеет некоторые преимущества перед существующими аналогами, которые представлены в настоящее время на российском и зарубежном рынках:
1) наличие подшипников во всех подвижных частях манипулятора;
2) простота сборки при учете её последовательности;
3) расположение двигателей в основании манипулятора, что позволило уменьшить их мощность и массу;
4) изменение положения манипулятора происходит по трем осям и все двигатели обеспечивают поворот не менее чем на 90 градусов;
5) схват всегда остается параллельным, либо же перпендикулярным основанию за счет соблюдения параллельности тяг и плеч, а также параллельных шарниров.
В перспективе планируется изготовить манипуляционную систему на основе высокопрочных легких материалов, произвести эксперименты в реальных условиях на борту необитаемого телеуправляемого подводного аппарата Odyssey, а также использовать готовую манипуляционную систему в качестве лабораторного стенда. В рамках работы над проектом по программе «УМНИК-НТИ» будет подан патент "Способ захвата и удержания объектов с сохранением стабилизации подводного робота" во втором квартале 2018 года.
Изготовленный прототип может быть использован для проведения тестовых испытаний подводного оборудования в условиях лаборатории «Телекоммуникации, приборостроения и морской геологии» Института кибернетики, Томского политехнического университета.
• Проведён аналитический обзор литературы по существующим манипуляционным системам подводных аппаратов
• Разработана структурная, функциональная и электрическая принципиальная схемы манипуляционной системы подводного аппарата.
• На основе анализа существующих технических решений и технического задания проведён выбор элементов системы.
• Составлен алгоритм работы одноплатного компьютера Raspberry Pi II B, микроконтроллера Atmega 8A.
Разработана и изготовлена электрическая часть устройства в виде платы с МК Atmega 8A, создан экспериментальный образец манипулятора по BD-модели, что позволяет решать следующие задачи:
• захват и удержание объектов манипулирования массой до 200г на вытянутом манипуляторе;
• осуществляется компьютерное управление манипулятором, что является имитацией реального АРМ оператора;
• манипулирование в рабочей зоне от 140мм до 300мм вокруг основания.
Спроектированный манипулятор также имеет некоторые преимущества перед существующими аналогами, которые представлены в настоящее время на российском и зарубежном рынках:
1) наличие подшипников во всех подвижных частях манипулятора;
2) простота сборки при учете её последовательности;
3) расположение двигателей в основании манипулятора, что позволило уменьшить их мощность и массу;
4) изменение положения манипулятора происходит по трем осям и все двигатели обеспечивают поворот не менее чем на 90 градусов;
5) схват всегда остается параллельным, либо же перпендикулярным основанию за счет соблюдения параллельности тяг и плеч, а также параллельных шарниров.
В перспективе планируется изготовить манипуляционную систему на основе высокопрочных легких материалов, произвести эксперименты в реальных условиях на борту необитаемого телеуправляемого подводного аппарата Odyssey, а также использовать готовую манипуляционную систему в качестве лабораторного стенда. В рамках работы над проектом по программе «УМНИК-НТИ» будет подан патент "Способ захвата и удержания объектов с сохранением стабилизации подводного робота" во втором квартале 2018 года.
Изготовленный прототип может быть использован для проведения тестовых испытаний подводного оборудования в условиях лаборатории «Телекоммуникации, приборостроения и морской геологии» Института кибернетики, Томского политехнического университета.