В настоящее время стоит вопрос об обеспечении качественного и долгослужащего дорожного покрытия, в частности, на автомобильных дорогах. Разработан робот, позволяющий с высокой точностью определить и полностью анализировать качество дорожного покрытия на заданном участке путем определения сцепных качеств и прочности дорожных одежд.
Ключевые слова: робот, анализ дорожного покрытия, строительно-дорожные работы, повышение качества
В наше время опыт эксплуатации автомобильных дорог показывает, что существующий нормативный срок их службы в течение 13–15 лет не выдерживается по разным причинам. Снижение срока службы автомобильных дорог вызвано многими факторами, в том числе и отсутствием полноценного контроля качества производства работ на всех этапах технологического процесса строительства дорог.
Важность операционного контроля обусловливает возможность коррекции той или иной технологической операции, что приводит в целом к повышению качества производства работ и срока службы автомобильной дороги.
В частности, решим проблему контроля качества готового дорожного покрытия определением соответствия свойств асфальтобетона требованиям стандартов, определения фактической толщины покрытия, коэффициента уплотнения и прочности сцепления слоев.
Рис. 1. Робот на четырехколесной платформе
В современных лабораториях проверка свойств асфальтобетона происходит в течение 3–5 дней. Более рационально использовать роботов, которые смогут анализировать дорожное покрытие и прямо на месте вынести свою оценку данному участку дороги.
Предлагается за основу взять робот со следящей системой.
Предполагается размещение на каждом узле сервомеханизма, эффективно контролирующего фактическое положение узла и положения, которое контроллер «хочет», чтобы узел занял. Затем звено манипулятора со схватом перемещается до тех пор, пока положения с узлом не совпадут. Роботы со следящей системой и обратной связью дают информацию о действительном положении того или иного узла. Иначе рука робота может где-нибудь застрять или совсем перестать двигаться, что значительно сужает сферу их применения.
Рис. 2. Плотномер ПА-МГ4
Рис. 3. Прибор для определения шероховатости дорожного покрытия КП-139
Рис. 4. Прибор для измерения толщин слоев дорожного покрытия
MIT-SCAN-T2
Звено манипулятора, прикрепленное к платформе, снабженное видеокамерами и специальным рабочим органом, которым может произвести сканирование некоторого участка дорожного покрытия. Оно приводится в движение электрическим приводом в заранее запрограммированной последовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который основан на микропроцессоре.
Для предполагаемого робота, который будет эксплуатироваться в достаточно простых по проходимости условиях, наиболее выгодно использовать четырехколесную платформу.
Мини-лаборатория, выполняющая главную задачу робота, включает в себя:
- плотномер асфальтобетона ПА-МГ4, для определения коэффициента уплотнения и степени плотности верхнего слоя асфальтобетона (рис.2);
- приспособление для определения шероховатости дорожных покрытий по методу “песчаного пятна” КП-139 (рис.3);
- прибор для измерения толщины слоев дорожногопокрытияMIT-SCAN-T2 (рис.4).
Основываясь на встроенной базе данных, робот определяет соответствие качества данного дорожного покрытия ГОСТу. Результаты исследования предлагается записывать на твердотельный накопитель с помощью какого-либо микропроцессора.
В связи со сложностью и существенной нелинейностью динамических характеристик манипуляционного робота проблема оптимального контурного управления такой системой является чрезвычайно трудной. Задача упрощается при ее решении в два этапа. На первом этапе до начала движения осуществляется планирование оптимальной траектории движения по заданной геометрической траектории как функции времени, а на втором в реальном времени осуществляется отслеживание полученного движения. Для того, чтобы робот мог достаточно точно отследить сформированную траекторию, на этапе планирования необходимо располагать точным значением динамики манипуляционной системы. Однако на практике инерционные характеристики объекта манипулирования часто бывают неизвестны.
Динамика манипуляционного робота в тензорных обозначениях может быть описана уравнением [1]:
(1)
где 
— i-тая обобщенная сила; 
— i-тая обобщенная координата; 
— матрица инерции; 
— массив кориолисовых коэффициентов, определяемый выражением
(2)
— матрица вязкого трения; 
— сила тяжести. Матрица инерции , массив кориолисовых коэффициентов и вектор являются функциями положения манипулятора и матрицы псевдоинерции объекта манипулирования, включающей в себя массу, первые и вторые моменты объекта моделирования.
Желаемая геометрическая траектория задается в конфигурационном пространстве в параметрической форме, т. е. все координаты 
, характеризующие перемещения в степенях подвижности манипулятора, выражаются через единственный параметр 
[2]:
(3)
При такой форме представления появляется возможность выразить положения, скорости и ускорения в степенях подвижности через параметр и его производные по времени. Подставляя эти соотношения в уравнение динамики (1), можно получить
(4)
где 
— псевдоскорость. Если объект манипулирования имеет некоторую номинальную матрицу псевдоинерции 
, то уравнение (4) можно представить в форме
(5)
где
Если инерционные характеристики объекта манипулирования отличаются от нормальных, то возмущённое уравнение динамики можно представить в виде
(6)
Для того, чтобы требуемые моменты не превысили возможностей приводов, нужно выбрать такие 
и 
, что при отклонениях 
в известных пределах величина момента 
, определенного выражением (6). Остается реализуемой, т. е.
(7)
Также могут быть наложены ограничения на скорость изменения этого момента, как функции положения, скоростей и ускорений
(8)
где
— константа.
Способ формирования податливого движения основан на изменении жесткости схвата манипулятора. Соответствующая концепция управления учитывает жесткость манипулятора в виде матрицы сил, воздействующих на схват при отклонении его от номинального положения. Стабилизация инерционных сил производится специальной системой.
Спроектированная модель робота, обеспечивает вопрос высокой точности и прочности дорожного покрытия.
Литература:
- Поезжаева Е.В// Промышленные роботы: учеб.пособие: в 3 ч. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд-во Перм. Гос. техн. ун-та, 2009.-Ч.2.-185.
- Поезжаева Е.В// Теория механизмов и механика систем машин. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд-во Перм. Гос. техн. ун-та, 2015.-400.
