автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование дифференциальных мышечных гидропневмоприводов с энергетическим управлением (на примере промышленных роботов)

Южпо-Росснйский государственный технический университет (Новочеркасский полнтеднический институт)

На нравах рукописи

МАРТИ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РГБ ОД

2 8 КАР ?.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЬГС МЫШЕЧНЫХ ГИДРОПНЕВМОПРИВОДОВ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (на примере промышленных роботов)

'пециальность:

05.13.16. «Применение вычислительной техники, математических методов, математического моделирования в научных исследованиях (технические науки) ».

05.02.03. «Системы приводов».

Автореферат диссертации на соискание ученой" степени доктора технических наук

НОВОЧЕРКАССК аопо 1.

Работа выполнена в Южно-Российском и Северо-Кавказском государственны: технических университетах.

"НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, нрофессо)

ВОДЯНИК ГРИГОРИЙ МИХАЙЛОВ! ГЧ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Д. т. и. профессор Кабельков АН. ЮРГТУ

Д. т. н. Профессор Пак В. В. Донецкий ГТУ (Украина)

Д. б. н. профессор Владимирский Б.М. НИИ Нейрокнбернетикн

Д. т. н. профессор Партии НД ЮРГТУ

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Балтийский Государственный технический

университет «ВОЕНМЕХ» (г. Санкт-Петербург)

Затяга состоится 14 апреля 2000г. в 1(1 часов в 107 ауд. Главного корпус на заседании диссертационного совета Д 063.30.04 в Южно-Российско государственном техническом университете (Новочеркасском политехнически пи статуте).

Адрес: 346428. г. Новочеркасск, Ростовской области ул. Просвещения, 13:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российско! государственного технического университета.

Г

Отзывы иа автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, иросьС направлять по адресу:

346428. г. Новочеркасск, Ростовской области ул. Просвещения, 13 ученому секретарю диссертационного совета Д 083.30.0'

Автореферат разослан 10 марта 2000

Уче1гый секрегзрь диссертационного совета,

кандидат технических наук Иванченко А.Н.

Я Я/6. ,А>. - пЬи. - /7а п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность проблемы. Конкурентная борьба среди производи!елен технологических и транспортных машпн приводит к изменению на вторігчном рынка систем гидрогшевмоприводов водарайгонгостуштелыюго и возвратно-поворотного пша, представленного конструкциями на основе силовых шдротшсвмощииндров.

Б качестве примера можно привести ситуацию ш рынке производителей автобусов. С рынка вытесняются производители не способные удовлетворять требования потребителя и создавать автобусы с многоуровневым автоматическим управлением приводами узлоч и агрегатов іраігешссии. опттшзацией управления работой приводами ЛВС, приводами рулевых и тормозных систем п т.д. Энергоносителем этих систем является сжатый воздух, а основным недостатком пневмоприводов является инвариантность к положению.

Отмеченная тенденция потребовала создания на вторичном рынке управляемого технического пневмодвигателя не шгвариашного к положению. Работа выполнена в рамках Федеральной научно-производственной программы «Конверсия. Вытшске технологии 2000г.». Тема 83-1-7 «Разработка систем опережающего эвергепгчеекою уіфавлетшя техническими объектами с переменной массой в реальном времени».

Научная идея работы: установить причиніго-следственные связи меж;о' физическими явлениями, лежащими в основе сокращения скелетной пышны и обобщив полученные результаты разработать дифференциальный мышечный і пдроішевмонривод с энергетическим уіфавлеїшсм.

Цель работы: разработать и исследовать математические модели

дифференциального мышечного гидрошевмолрквода с энергетическим управлением.

Задачи исследования:

1 .Выработать подход к объяснению управляемого механического двилсеиш в живой природе;

2.11а основании анализа научных данных об энергетических процессах в скелетшлх мышцах объяснить принцип их работа и управления;

З.Раскрьлъ причшшо-следственные связи между процессами преобразования энергии в механическую работу и теплоту, движением во внешней среде и возникновением информации о ходе этих процессов. Определить физическую сущность и размерность апергетических параметров механического движения;

■(.Создать технический аналог скелетной мышцы. Разработать математическую модель механической мыпщы и дифференциального мышечного гадрогшевмонршода. Получтъ эксперимапалъныс характеристики механических мышц и доказать адекватность их математических моделей.

5.Разработать и исследовать математическую модель 5'™ звешгого робота с дифференциальными мышечными гидрохшевмоприводами. Доказать преимущества механических мышц и тфедтагаемых алгоритмов управления перед существующими техническими двигателями и алгоритмами.

6.Показать наиболее эффективные области применешш полученных пауисых результатов в технике.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.Рабочие гипотезы о возможности использования в технике предложенного объяснения принципа работа и управления скелетными мышцами живых «ществ;

2.Размерности рывка, ускорешм, скорости и перемещения, как энергетических параметров механического движения;

3.Реализация рабочих гипотез о принципе работы и управления скелетными мышцами живых существ із технических системах (промышленных роботах);

4.Математическая модель нового технического двигателя- механической мышцы;

5.Математическая модать дифференциального мышечного гидронневмопривода;

6.Процедура математических операций над матрицами при комбинаторике трех дискретных аргументов в матричной форме зашей уравнений Лагранжа 2-го рода;

7.Математическая модель 5'™ звенкого робота ГІР-5М с диффереющальными мышечными гидротгевмоприводвшг,

^.Алгоритмы управления дшгжетшем и позиционированием промышленных роботов с дифференциальными мышечными гидроїшсвмоприводами;

9.Матсматическис модели оптимального управлении движением технических систем с дифференциальными мышечными пневмоприводами;

] 0.Результаты практического исишшшвашв разработанных научных поиожший.

Научная помина положений диссертации:

1. Предложенное объяснение принципа работы и управления скелетными мышцами состоит в следующем:

- актиново-миозидовые мостики являются биоэнергетической системой мышцы, преобразующей энергию АТФ в механически и тепловую работу, а сама мышца является ортогональным двигателем;

-не инвариантность к положению и динамическое равновесие биологического привода обеспечивается мышцами - антагонистами, усилия которых зависят от их сокращения;

-утіравлешіе работой скелетных мыпщ осуществляется на энергетическом уровне (по мышечной памяти) с периодическим подключением ЦІІС.

2-Рывок, ускорение, скорость, перемещение могут рассматриваться как кинематические и как энергетические параметры механического движения, ш чго указал И.Ныотон по отношению к ускорению. Переход от сил к энергии в опиеашш движения -и аппаратная реализация энергетического управленій потребовали раскрытия физического смысла, математического огаїсаїшя и установленій размерности всех энергеляеских параметров движения. Энергетические параметры деижеиия характеризуются, на наш взгляд, изменением во времени удельной энерпш А~( Е У) ) ’ текучим значением уделыюй энерпшҐ £ (О 1 ; расходом

с!1 1. т V ) V т V )

удельной энерпш во времени с Р * £ (О : работой удельной энерпш

' т V

Г Г * КІІЇ. ■ Здесь: Е(1) - энергия [Дж] , V -объем [М3], I7- площадь

* т V

поверхности, нормальная к вектору движения [М2], т = масса [кг).

З.На основе гипотез о работе и управлении скелетными мышцами:

-создан новый технический двигатель - механическая мышца, представляющая собой заполненную рабочим телом цилиндрическую оболочку с установленными на ее торцах присоединительными элементами, при этом оболочка выполнена из эластичного материала и армирована в продольном и поперечном направлениях гибкими нерастяткимыми нитями, которые обеспечивают анизотропные свойства

оболочки и направленное изменение объема при изменении энергетического состояния рабочего тела в оболочке. Патент RU 2137950 (F15B 1Ш0):

-разработан новый дифференциальный мышечный привод, содержащий мышцу и се антагониста, связанных с исполшттельным органом посредством устройства преобразования поступательног о двігжеши в поворотное.

-разработаны алгоритмы энергетического управления, в которых используются аппаратно или программно полненные (в процессе обучения робота) значенім знергетичесіоїх параметров механического движения, с коррекцией завершающего ггапа движения в режиме следящего привода. Машинным экспериментам установлено, что возможно двіглсение в режиме управления но энергетической памяти в течении 75% времени заданной тахограммы, а в течешм 25% времени возможно скорректировать движение и привести схват манипулятора в гадатгую tohkv с погрешностью не более 1,4 ми на 1000 мм переметеній.

4,Магематическая модель мехатшчесхой мышцы, в отличие от математической модели силового цилиндра, описывает сокращение мышщл, как функцию формы оболочки. Форма оболочки описана уравнением параболической бочки, диаметр которой увеличивается нри ее сокращении. Установлены математические зависимости диаметра, площади боковой поверхности и объема мышцы от ее рабочего хода. Математическая модель отражает свойство механической мышцы: увеличивать шіуіцее усилие с ростом давления при одинаковом перемещении и снижать тянущее уешие с ростом рабочего хода при одинаковом давлении. Энергетические потери в материале оболочки отбываются на основании расчета нормальных и касательных напряжений и деформаций по граням октаэдрической площадки. Геометрія оболочки оптимизирована по критерию равнопрочности. В математической модели введены ограничения по начальному значеним рабочего хода, предельному давленшо и нагрузкам. Модель адекватна физическому обьекту. Погрешность составляет: средняя 8-10%, максимальная - 20%.

б.Диффсрсшсиалыяле мышечные гадронневмонриводы выполнены в виде встречно расположенных мышц и их ашашшетов, соединенных между собой через блок гибкой нерастяжнмой шт,ю. Доказаны их не инвариантность к перемещению, малое перерегулирсваїше и колебательность. Дифференциальные мышечные гидропнев.чонриводъг и их математические модели отличаются от дифферент шлыпдх приводов с электрическими и гидравлическими двигателями объемного действия и их математических моделей тем, что первые построены на разности знаков одного и того же перемещения для мышц и аитагаїшстов, а нослелние построены на разности скоростей. Разработан новый метод формировазшя управляющих параметров, отличающийся тем, что дифференциальные и интегральные составляющие этих параметров формируются с обратными шаками для мышц и антагонистов.

б.Разработана процедура проведения операций над матрицами с тремя дискретными аргументами при использовании уравнений Лагранжа 2-го рода в матричной форме для моделирования промышленных роботов Стандартная прог рамма MathCAD-7 (или 8) professional не предусматривает решения таких задач. Использование данной процедуры позволяет решать задачи в такой зшдгси:

for і є О., 4

4 і

і

\ Л trfU -Н -UT(M, і,k, 1) і У, -V, \ '..і ■ ♦ ; • к- -1

і і к=0 1=0

З

7.0бъектом математического моде-чирования выбран промышленный робот, как один из наиболее сложных технических объектов. Математическая модель 5-ти звешюго робота с дифференциальными мышечными гидропневмоприводами, предусматривает процедуру аналитического решения обратных задач при кошерном управлении. Математическая модель робота отличается математическим описанием работ новых приводов, при управлении которзлмн задают параметры тахограммы двигателей всех звеньев в виде ушшодалъной функции, (например, кривая распределения Гаусса) и функцию рывка, как энергетического параметра движения. При этом предусмотрен вывод центра схвата в заданную точку при одновременном движении всех звеньев манипулятора по своим тахотраммам. Адекватность математической модели обеспечивается фундаментальностью примененного математического аппарата для описания динамики манипуляторов, корректностью принятых ограничений и допущений, применением математических пакетов, результатами экспериментальных исследований механических мышц.

8.Алгоритаы управления движением и познщкишрованием промышленных роботов по наработанным в процессе обучения энергетическим параметрам проверялись машинным экспериментом для гидравлического и пневматического дифференциального мышечного привода звеньев. Научная новизна алгоритмов управления подтверждается структурной схемой привода и передаточной функцией по управляющему воздействию. Исследовалась эффективность управления при выполнении всеми мышцами команды на внезапную остановку с последующим продолжением движения схвата в заданную точку, в результате чего доказало, что переходной процесс имеет малые перерегулирование, колебательность и постоянную времени, а позиционирование происхо дит без снижения точности.

9.При решении задач управления и оптимизации управляющих параметров проводилось сравнение при управдешш по тахограммам в ферме трапеции и кривой Гаусса. Установлено, что точность позиционирования при использования тахограмм в форме кривых Гаусса на порядок выше, чем при транещшдальных формах тахограмм (0.6мм против 6 мм), расход энергии соответственно меньше на 13%;

Проводилось также сравнение разлгадшх методов энергетического и кинематического управления по критерию качества. Научной новизной обладает решение оптимизационной задачи по быстродействию робота за счет выбора оптимальных тахограмм, что позволяет повысить быстродействия до 25%. Проведена оптимизация параметров компрессора и ресивера блока питания робота с пневмоприводом с учетом одновременной работы приводов всех звеньев.

Ю.На основе механических мышц и дифференциальных мышечных приводов разработано более 20 новых устройств для автомобильной, тракторной, нефтеперерабатывающей и трубопроводной промышленности. Разработаны привода коробок передач, сцешений, дифференциалов автобусов и автомобилей, оснащенных тормозной пневмосистемой, Все устройства выполнены на уровне изобретений. Начаты работы по внедрешпо дифференциального мышечного привода дверей автобуса ПАЗ-5272 (положительное решение по заявке 99104608 Ё15В). Ведется проектирование насосов и заторно-регулирук'щей арматуры для трубопроводов. Управление по энергетическому параметру - рывку реализовано на Ставропольском инструментальном заводе при модернизации сшкосварочпых малаш СИ-124 и МТК-100. Но контролируемой величине рывка каретки определяется закон управления величиной сварочного тока. Внедрение системы позволило снизить, брак при изготовлении шгангоузла с 15 до 5 %.

Практическое значение работы:

-создан новый технический двигатель: механическая мышца - аналог' скелетной мышцы (Патент РФ №>2137950). Двигатель не инвариантен к положению, превосходит существующие но техннхо-жеплуатационным показателям:

-ра чработаны инженерше методики расчета дифференциальных холпк'паж приводов (модули САПР привода) и технологии их изготовления;

-разработано более 20 новых технических объектов с приводами в виде механических мышц для машиностроительной автомобильной и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности.

Реализация выводов и рекомендаций:

Издано -I монографии, при участии автора организовано и проведено 5 конференций, из которых 2 международные. Результаты работы использовашл:

-в Федеральной гаучно-протводствегаюй программе «Конверсия. Высокие технологии 200!!г.». Тема 88-1-7 «Разработка систем опережающего энергетического управления техническими объектами с переменной массой в реатыюм времени».

-D Федеральной научно-производственной программе «Технология живых систем», раздел «Сисі'емм жизнеобеспечения и защиты человека в гжетремальных условиях». Тема: «Виртуальное моделирование катастроф на опасных производствах (тахтах) и наработка упреждающей инфор.машш но ликвидации последствий с максимальным использованием специализированных маниш и робото)?». ,

Результата работы псполыдаваны в учебном процессе Южпо-Россігііского н Северо-Кавказского технических университетов. Начаты работы по внедрению механических мьшгц на ОАО «Павловский автобус» в качестве привода механизма открывания дверей.

Апробация работы:

Основные результате! исследований обсуждались на НТК в ЮРГТУ и СіГТУ, з ІШІІ Нейрокибернетики им. Когаиа РГУ, ПИИ МВС Таганрогского РТТТУ, на семинарах кафедр Э-10, М-7 МТУ им. Н.Э. Баумана, МПТК (Тйггедлектуальные

системы». Псков 1998г. НТК «ІІейрошіформашка-99», МШ'К по нейрокибериетике Ростов 1999г., МПТК «Автотракторострсенис. Промышленность н высшая школа», Москва, 1999г., МНТТС «Проблемы навигации и управления в космическом пространстве» Москва МГТУ им. Н.Э. Баумана 1999г., МНТК «Динамика систем, механизмов и мапппт Омск. 1999г. Развернута открытая дискуссия между Российскилш и зарубежш.ит учеными в комішютершй сети Incmet.

Публикации. По теме научных исследований опубликовано 76 печатных работ, в том числе 23 авторских свидетельства, иодано 25 заявок па патент РФ и 2 заявки на Европейский патент. Изданы -книги «Теория информаниошю-энергетмеского процесса»), «Theory of informal) on-energy process», «Теоретические основы механики реального времеш». '<Ко\тъютердае моделирование в механике реального времени технических объекте» с механическими мышцами». Книги распространены среди Российской и мировой научной общественности. .

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 186 страницах машинописного текста, иллюстрируется 8S рисунками, содержит 28 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, егшека литературы да 138 наименовшшн н пяти приложений.

Структура работ» показана на следующей диаграмме:

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (б стр.) обосновывается актуальность проблемы, определены цель т задачи исследований, изложат основные положения выносимые па запппу, лруктура работы, апробация и реализация полученных результатов.

Первая глава: «Теоретическая основа Лгя объяснения механического движения « жтой природе» (19 стр.), 13 1687г. И. Ньютоном предложена модель чшеапия движения. Согласно этой модели физические тела заменены материальными •очками, а взаимодействие материальных точек сведено к силам. Внешняя среда, а так кс энергетические н термодинамические явления не рассматриваются.

Движение деформируемых сред с учетом их фичико-механичееких свойста ишсываег механика сплошных сред (МСС). Существует дна подхода к изучению шиження деформируемых сред: статистический (как раздел теоретической физики) н феноменологический. В основу феноменологического подхода положены понятия материального континуума и гштотеча сплошности. Описание движения сплошных ред выполняется на основе законов сохранения массы, импульса, энергии и начал ермодннамшеи посредством уравнений Лагранжа. Вводятся понятия убстанциопальных и кшшективпых производных величин, характеризующих «стояние материального континуума, и устанавливается их соответствие точечным, юверхностным и объемшм силам.

Однако ни механикой Ньютона, ни механикой сплошных сред па востребовано юпятие о цели движения в среде, следовательно, не'раскрыта физическая сущность юпятня информация. Между тем в живой природе имеет место пнформационпо-«ергетическое взаимодействие живого существа и внешней среды [ПК Анохин].

Предложено выполнить объяснение механизма управляемого движения живого ■ущества во внешней среде на основании закона сохранения энерпш, начал термодинамики, и энергетических параметров движения, феноменологически становив соотношения между энергетическими, тепловыми И ИНфОрМаЦИОННЫМН Б.ТСНИЯМИ, присущими движешпо.

Вторая глава: «Лнаип структуры ч мехаштш упратетш биологического \pusoda» (23 стр.). В основе объяснения работы скелетных мышц лежиг теория лекгрического потешдаада в живых клет!сах, предложенная в 1896г. В.ГО. Чаговец. В 902г. Ю. Бернштейном развита мембранно-ионная теория, которую ксперимептадшо обосновали Ходжкин, Хаксли и Ката (1949-1952). Согласно серии, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено геравепсттюм темщентрации ионов №+, К+, Са+ и С1- внутри и вне клетки, а так же «личной проницаемостью для шк клеточной мембраны. Амплитуда и характер ременных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его аздражнтепя. Возникнув в месте раздражешы, потенциал действия распространяется долъ нервного кяи мышечного волокна, не изменяя своей амплитуда. В основе гаменсний ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия ежаг процессы открытия и закрытая ионных каналов в мембране.

Ионный канал состоит из транспортной системы и воротного механизма Рис.1.), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» .могут находиться в зух положениях: ошт полностью открыш, ш полностью закрыты, поэтому роводнмость одиночного открытого капала - постоянная величина. Суммарная роводимоегь мембраны для гого ши иного иона определяется числом одновременно ткршых каналов, проницаемых для данного иона. Чере} открытые каналы ионы

движутся но концентрационному и электрическому градиентам. Эш потоки попов нршодят к изменениям мембранного потенциала.

Активационные (т) и

тшктивашюшгые (h) ворота расположен», в облаян внутреннего конца натриевого канала. В состоим! покоя порта т ■ закрыты, тогда как ворота h открыты. При деполяризации в начальный момент ворота m и h открыты - капал находится в проводящем состоянии. Затем

' Р инактиващюиные ворота закрываются -iic.l. Схема натриевого канала. канал инактивируется. После окончания

деполяризации ворота h медленно открывается, а ворота m быстро закрываются, канал возвращается в исходное состояние.

Сократительным аппаратом мышечного волокна являются миофибриллы. В мышечных волокнах миофибриллы разделены на правильно чередующиеся участки (диски), обладающие разными оптическими свойствами. (Рис. 2.)

Важным компонентом ультрамикроскошиеской структуры миофибрилл ЯВЛЯЮТСЯ 1ЮПЄрЄЧІІЬІЄ МОСТИКИ, соединяющие МЄЖДУ собой миозшговые и октановые нити. При сокращении мышечного волокла указанные ішш не укорачиваются, а начшиюг скользить друг по другу: ахтшошс нити вдвигаются в промежутки между

миозиновыыи. Причиной сколъжеши является химическое взаимодействие между ИКТИНОМ и МИОЗИНОМ в присутствии ионов Са2+ и АТФ. Наблюдается химическое «зубчатое колесо» протягивающее одну группу нитей но другой. Роль «зубчиков»' в этом процессе приписывают поперечным мостикам, обеспечивающим

взаимодействие активных цеіггров балкой миозиновых и актшювых іштей.

В процессе присоединения ЛТФ к головке миозиновой молекулы (поперечному мостику) происходит не только отделение миозиновых шпей от октшговых, но и зарядка мостиков опершей в результате расщешеши ЛТФ (Lvmn, Taylor, Huxley). Принимается, что после поступления в шлтщу импульса с нерва, срабатывает моетшеовый механизм и головки (TMM-S-1) соединяются с мономерами актина, затем входа в действие шарнирный механизм за счет оперши, ранее аккумулированной в активированном миозине (фосфорнямиозине). В условиях, когда копцентраидя ионов Са2+ в миоішазме низкая, взаимодействию миозиновых и акгаповых шпей препятствуют молекулы белка трогюшша. расположенные на октиловых нитях. Тропошгн обладает очень высоким сродством к ионам Са2+. Как только концентрация Са2+ в ыиофибриялах повышается, тропонин связывает Са2+ и изменяет свое расположение на актиновон ішти таким образом, чго делает возможным се взаимодействие с ашозиновой тітью. Формирующиеся при этом поперечные мостики перемещают' актиповуы шш> на 1% ее дайны. Чтобы обеспечить дальнейшее продвижение шпи и соответственно

Рис.2. Процесс сокращения мкофпбрилл.

льнейшое нролрижение волокна, необходимо. чтобы эти мостакн разъединились и «крепились к новым учасшш акгшювой шші Такое разъединение мостиков уществляется при расщеплении молекул ЛТФ ЛТФ-азой миозина. В присутствии і2+ и ЛТФ в миоплазме этот процесс многократно повторяется: мостики повторно разуются и расходятся, в результате чаго мышечное волокно укорачивается.

Проведение нервных нмнульсов является специализированной функцией рвных волокон. Мнединовая оболочка нервных волокон через промежутки вкой данім прерывается, оставляя открытыми участки мембраны шириной і» мері го 1 мкм. Структурное образоватше, сспечивающее переход возбуждения с ртюю волокна на иннервируемую нм етку получило название сшіапса (Рис.З).. шансы состоят нч трех основных ементов: пресиняптической мембраны,

ї ї синаптической мембраны іг

шштттческой щели.

Ширина щелк примерно 50 им; она почиет межклеточной жидкостью, едиатор дифф)яднрует через щель,

.’действуя на мембрану иннервируемого ліпечного волокна, Постстшаптическая імбрапа отличается тем, что не содержит Р]їс-3- Нервно-мышечное соединение, еитрически возбудимых ионных каналов и не способна к генерации штенипала [Дстшш. ІІостеиналшческая мембрана обладает химической возбудимостью: на пс/впе ацетилхолшш она отвечает местным изменением нрошцаемости .для полоз і+ и К+, что пршоднтк развитию так называемого потоптала концевой пластинки ІКТІ). ПКП порождает генерацию потенциала дейс твия в мышечном волокне.

В скелетных мышцах содержится несколько специализированных ,'ханоредегггоров. Мышечные веретена представляют собой небольшие

юдолтоватые образования, расположенные в мышце. У мышечных веретен зличают центральную и две котщевые зоны. Коїщевш участей имеют три вида :рвных окончаний, а центральная зона два вида. Веретена расположены параллельно тггателывлм единицам, поэтому при растяжении мышцы нагрузки на веретена еличивается, а при сокращении - уменьшается. Веретена реагируют имнульсанией і удлинение мышщи, причем у первичных окончаний частота ичлульсацни зависит авньш образом от скорости удлинения, а у вторичных - от длины мышцы.

Сухожильный орган Гольджи расположен на границе мышечной и сухожильной ани в опорных участках капсул суставов и внутренних суставных связках. Он іедставляет собой структуры верста гообразной формы, слабо реагирующие на стяжение мыпшы, но возбуждаются при се сокращении. Интенсивность их шульсации пропорциональна силе сокращения голицы. ‘

Тельца Почини представляют собой сложные структурные образования в форме липсоида. Тельца состоят из наружной оболочки, которая полностью непроницаема гя различных коков и химически изолирует тельца от внешней среда. Под наружной іояочісой находится несколько слоев внутренней оболочки. Тельца Почини сполагаются между мышечными волоніаш. ІІри сокращешш мышцы, волокна доливают тельна поперек большой оси эллипса. Физическая природі сигнала аюзначно не определена.

Механическая интерпретация биологического привода (БП) должна лачинатьс выявления и объяснения принципа работы первичного двигателя. Физиология не щ. однозначного ответа о первичном двигателе БП: «...следует признать, что истинш рабочим механизмом миофибриллы является «сокращение» определенных участь ПОЛИПеШИДНЫХ цепей миоценовой молекулы, а СКОЛЬЖСШЮ системы ТОНКИХ щи внутри системы толстых шкшшовых фндаментов, т.е. сама основа этой тсор1 является лтаь чисто внеипшм проявлением феномена емфащешм. Другими слова, напрашивается вывод, что проникновение системы акпшовых нитей в систе ыиозшювых фшиментов является не причиной укорочения саркомера, а I следствием» [Иванов НИ., Коровкин Б.Ф., ГЬшааз Г.П.].

Предложенное объяснение приицшю работы и управления скелетпы мышцами состоит о счгдующш:

1.АкТШОВО-М1ЮЗИНОВЫе мостики являются биоэнергетической системой мыли преобразующей энергию АТФ в механическую н тешовую работу, а сама мыш является ортогональным двтгатслем;

2.Не инвариантность к положению и динамическое равновесие биояогнчесм привода обеспечивается мышцами - антагонистами, усилия которых зависят от сокращения;

3.Управлегаю работой скелетных мышц осуществляется на знергеткческ уровне (но мышечной памяти) с периодическим подключением 1ЩС,

Высказана гипотеза о возможности исполъзовашш дшшых принципов технических системах.

В т рети!; главе “Теория инфорхищионно-тергетичеемго процессам ( стр.) предложено единое, идя технических и биологических объектов, описан мехшогческого движения на основе закона сохранения энергии и на' термодашамики.

Проанализируем процесс преобразования энергии в системе, способно» осуществлению управляемого механического движения во внешней среде, основании закона сохранения энергии загаснем первое качало термодшшмики:

сШ = с(А + с К2 .

Согласно второму началу термодинамики преобразование энергии только в мак или только в микро движение: только в механическое движение или только в тепле невозможно. Соотношение между механическим движением и тешотей в хс онергепгческого процесса зависит от сообщаемой системе энергии и инерционное внешней нагрузки: тешовой и ыехашгчесхсой.

Из второго начала термодинамики явным образом следует, что тепловая механическая нагрузка энергетического процесса не может являться о;ц! материальным объектом.

Наличие шпшмум двух материальных объектов, воспринимающих резуль •энергепгческого процесса приводит к неопределешгостн направления преобразив] энергии в каждый момент времени. Энергия преобразуется в механическое движи или теплоту в зависимости от величины инерциошюеш нагрузок нропорциокал! наименьшем)' сопротивлению. Эта неопределенность находит свое отражение величине КПД (механическом или тепловом) системы.

Непрерывное изменение направлении энергетического процесса порожд; колебательный характер преобразования онерпш в механическое движение и теплоту. Наличие колебаний в энергетическом процессе позволяет говорить

’.раиетрах этих колебаний. Параметры колебаний в процессе опсргогюредачи несут ^посредственную информацию о нагрузках системы в реальном времени я зостраистве.

Рассмотрим схему энергетического процесса на Рис.4. Мы имеем систему с щим входом н двумя: выходами, иагружсшплми разной инерционной нагрузкой, мая система может находиться в покое только в случае отсутствия процесса лдсления энергии

иЫ.Самоорганлзздшя миформашгошш-энергешческого процесса.

При инициализации процесса <//; система попадает в неустойчивое иоиожение

о причине различия на несколько порядков временных постоянных ,(вух пердионъллх нагрузок - механической и тсгпор.ой. Это разливок делает ш системы зсргспг-геекип генератор с равными частотными полосам! в области макро н мнкро ниасешм. Соотношение частотных полос -зависит от пасс М2, М3 и инерционности

2, .1.1 нагрузок. Энергия, выделившаяся в процессе Ш за время А, реопра ювываегся в направлении наименьшего, в данный момент времени, порционного сопротивления.

Рассмотрим физические зависимости» характеризующие начало и результат зменения макроскопического механического движения материального объекта

Зависимость, характеризующая результат механического движения, корость перемещения движущегося тела воспринимается, как основной атрибут вижстм тела. Субъективно воспринимаемый результат гомеиеппя механического вижешы в пространстве н времени выражается ’зависимостью:

" Г ^ ’

I

Необходимо нричнать, что дешпаа зависимость отражает результат ичмлкния гсханического движения материального объекта. Скорость, а не перемещение вляется результатом юхенения механического движения. Сиедопатсдьио, фткческая ависимость, характеризующая результат ш/формащющю-энергетинеского процесса, рименительно к механическому движению должна быть записана в виде:

г , ^зх:-

Зависимость, характеризующая начало механического движения Об мтс

физической величине говорили все великие механики. Абель Трансон в рабо: «Journal de Liouviilc. Note sur les pnncipes dc la Mecanique» называл ее «rirtualite Резаяь в «Craematique pure» определи;! ее понятием: «unacceleratioii», Н.И Сомон своих работах пршашл термин «высшие производные ускорения». Н.Е. Жутсовски в своей докторской диссертации ввел термин «девиация» .

Понятия высших производных обобщенной координаты в названных рабогс вводятся па основании математического определения производных. Между тем тт величины изначально не определены в классической механике.

______Автором в работе [21 определена третья производная обобщенной координаты:

Механический рывок есть отношение изменения кинетической энергии тела, I массе этого тела, пути и времени, в течение которого, это изменение пронзош.к Рх - dK , ___________________________________М * ciL * dt__________________________________

где: dK-изменение кинетической энергии тепа; т -масса тела; dL-приращепие пут на котором произошло изменение кинетической энергии теля dK; Л-приращеш времени, в течении которого произошло изменение кинетической онергчи с!К.

Предложенное определение рывка отражает физическую связь меж; количеством преобразуемой в макроскопическое механическое движение энергий механической инерционность системы: объект - внешняя среда и информацией изменении в движении объекта.

В рассматриваемой системе (Рие.4) одновременно осуществляется д1 взаимосвязанных процесса: энергетический и информационный. Поскольку он неотделимы дат от друга, то правомерно утверждение о существовании едпнм информационно-знергешческого процесса, в котором: информация на входе систему управляет ходом энергетического процесса, приводящего к механичесюж движению во внешней среде, теплообмену с внешней средой и генерировали шформацлм о процессе.

На основании предложенной концепции определены энергетические параметр движения и установлено их соответствие кинематическим параметрам:

-изменение во времега! удельной энергии:

-текущее значите удельной энергии:

-расход удельной эперпш во иремени:

- работа, совершенная удельной энергией:

—f 'F * Ж'П: (рывок ) ■

dt I . m V J 7

.* £(')): (ускорение)

l ’» V J

f- *EU)dl ; (скорость)

^ m V

f 1 h * '?(/) dtdt m V (перемещение)

где: E(l) - изменение энергии ео времени, V -объем, F- тои/адь поверхность »ерпепдтл:1ярная к вектору предстоящего движения, т -- масса.

Показано, что лнсргетические параметры не всегда численно равн кинематическим, по причине внешних энергетических, в том числе тегпови возмущений. Однако точное знание энергетических параметров позволь реализовывать управление движением в реальном времени.

-Четвертая глава: «Техническая и мшпематаческвя реализация рабочих ота об уапропапее и управлении скелетными мыншпмн» (59 стр) посвящена работе математического отшсания и , - > ^

исрименталшому исследованию механической , ^

или. (Рис.5). [ПатентРФ 2137950 Р1513 1Ш0].

Механическая мылша представляет собой л ""

олн<аш>к> жергоносигелем шшиицрическую л очку с установаенными на горцах оболочки С' "

[соедаштельшм! элементами. Оболочка юлнснач

гиз гаастачного материала и армирована в ~

>м и нопепечном иагтаммнияч гибкими ?• ДИч^'ЛМ

астяжгошми нитями,

Нити аршровашга обеспечивают ашоо1ропиые_________....... ’*•

йстаа оболочки и наиракхсхпюе юменсше объема р;и,5,Миаш|>[егса!1 мышця. [ совершении мехам мескои раооты. Начальное

горние секнии оболочки - цилиндр. Предельное состояние секции оболони - тар. Л1сж>то'шос состояние - параболическая бочка. Сокращение оболочки Р'Пически составляет 36.3% от начальной длины оболочки.

Геометрические характеристики оболочки исследованы в фижщш дшиеиия очего тела посредством коэффициента параболы а, а с[0, К1 0,364*Ь].

ша сокращения ооолочки 10:

! 3

I Т

I * а + 1

лцадь боковой поверхности оболочки О: ■

Г (] + а; * {I„ у)^*а*10 + 1п[а * /„ + Г ] + ^1 + аг * (/^7 * а* 10

0=4*,т*

же оболочки Ю:

:лм оболочки:

II д *

чП

1“ 1 т*1 *а * 1

V = 2* *■ *[1* а 2 * (О5 ] ■

те! ю угла наклона касательной к торнам оболочки: г§-(а) = 2 * а * ха -

:ргия рабочего тела в секции мышцы равна; Е~Р* \ Ъ

шариая ста давления т оболочку секции изнутри:

/.-С 5Л' 0 5"ОЬ

Г = 2 * | 12 * я * Р * &,$ *сЮЬ

Определено место механических мышц среда лневмашчешк ллнешп.Г' двигателей: силовых цилицдрав ксилъфонов. Показано, що силовые цилиндры могу, быть трансформированы, в сшьфоны или в механические мышцы в зависимости о способности боковых поверхностей к направленной деформации. (Рнс.6).

Материал оболочки в процесс* работы находится в условиях объемной ШНрЯЖСШЮГО СОСТОЯНИЯ. -Крш'ерие.ч выхода оболочки из строя являете; усталостное разрушение материал: оболочки. Напряжения в наиболее опасно.', центральном сечении секции мьшшы для’ параболической бочки:

Р ■ (з пК ; )+ Р,ы,

а

}

(я,- - (я,- ]

Рие.6.Силовые параметры и функции р при переходе от механических чньгшц к

СШШфОШШ.

я-1 Я;

ч

Для проверки прочности материал, при слсшюм нагфяжешюм состояши необходимо знать величину напряжении возшешеиш но октюдричесш

чгп глав!с-л-

площадке. со$' а7 + евь'

а

Учишвая,

4- С05 “ (X $ - } ’

натфяжения СТ и г

п

сг, соз

а 2 4- ст , со5 а ■) + сг 3 сох ~ а 5

Г г,

»а

соз * а/ + а2 сс>5 * а? + сг- сох ~ а

з

= л/сг/

-утлы, между нормалью п к площадке с направлением главны'

напряжений.

Деформации элемента в направлениях главных напряжений:

° I

Е а 2

1Г

а

~Ё~

К

1л

Е

1

Г1

м •

м ■

в

Е Е

Изменение объёма элемента оболочки будет равно:

V 0 = а ■ Ь ■ с ,

I I — \ 0 (X 4" ё I + € ^ д

Модуль упругости резины для обратимого процесса:

<*8 к , ар

Е, =

АК

где- Е, -модуль упругости при растяжении [кг 'см']; а - напряжение [кг /см‘]; }Л относительная длина, равная отношению начальной длины к длине деформированное образца {см]; Р„ - пчоирдь поперечного сечения [см2]; Р- усилие [кг].

Работа поглощенная резиной оболочки -за сократите» (гистерешсные потери в оболочке) равна:

с' + В

а * - f LH.

i s + 8

In

один щжл «растяжеш1С -

- + F„

где: В, С -коэффициенты, зависящие ом типа резины. В-[-0.94... .-0.99], С-[113...432], увеличение значений кшффициентос пропорциопачыю плотности резины; е' - предел цикла <<растяжение-сокращение» в %;а напряжение при растяжении [кг/с.\г].

Условие равнопрочшсти оболочки по длине. Напряжение ск:

= 8/ V I .

0Х я (Я? -\К,- О2

где д - наг/п’жа от давления газа; /- длина секции; / - стрела прогиба пиши; 1‘ц -

внешняя нагрузка; Я, — диаметр текхщеИ оболочки; / - толщина оболочки на радиусе

11„1Ле(11;Я,)' ' '

Деформации, соответствующие напряжениям:

ст о\ а.

Р ~ М ■ ~ ~

Е.

Л,

Е

лк р - коэффициент Пуассона, - модуль упругости оболочки (резина) в напра&пенчн с,, Ех _ модуль упругости оболочки (нить) в направлении £,.Дш материала ренты оболочки работающей одинаково хорошо га растяжение и сжатие:

<. = («1 -

d

откуда завистшосп. толтщшы реиппл tiro допшс оболочки, раина.

, - &<Ег

к-1д

Для изготовленных мышц проведены экспериментальные исследования и получены их характеристики (Рис. 7). Па графиках показаны зависимости укорочения мышц при заданных усилиях в пределах от 0 до 8000II. При абсолютном давлении от

0.15 до 0.6 Мна.

Рис. ". График зависимости укорочения ммшц от заданных усилий.

15

Матеманіческое моделирование работы мышц и их антапяшстои:

I Db Db . - і-КОСОЇ 1 -i 1

0.5 -Db . ~ H „

0,25 • (I. - Д X .

L„ - Л X .

r>L ..ax,

Jo

,11 (в ■ + : -o . .*y a x

f bjeak :f f’Ls . - l, „ 4. i.'O.OOOl >i . і c '

■л/ЧМ ft-o - ,}'

for І fc: 0 .. 4

I Dba Dba . - і -0000]

J і

0 5 -Dba . - R ,T

0 :5 • (L ft — i.V Xo ^ )

-№j 1.0-лха .

^ L .. — Хя .

0

• і

j \ +-• |‘Бл . t- 2 -Ca . -x у 6 x

break if Ш . -- L л 0.0001

j о .

P’L „ - ,\ X .

2 -7t •' R -t- В -x — С . -x2 ) d x

\ го j j /

- AXa ;

І <л .. *— abm (B.)

j: j

5 Kc.b „ -10 6 *5b .

'• J n о і

Kobe .*—P • !0 6 »ЯЬй .

і Л.1І & J

Fdon ..-.P „n-10 ‘.n -R m*.{zu Rilik

/Neb , -cos ‘ и

i; Wd

r"’"' rwa ;** та t

j--------------—1-...-— - Kcb -bin Лі jU j — 2:don . I-it

j bin (a. n, \ ■ \ j / 1 j

Г « anl '— Atan (Ba і

;i ' j '

||h«m j-P *i „*•{*,)

/ Ncbj -cos і cx

I!

I; Mda

)'

Г

Rshk

-u • ,

hhba . -sin і и

\ sii\ - ct

і u лиг . і - Wi

am

• Ca . x

n

Проведен полный факторный эксперимент, получены эмпирические зависимости характеристик оболочек в аналитическом виде, определена оптимальная форма механической мыпщы: длинная и тонкая оболочка. Получена корреяящгогпюя функция при постоянном зпачешш начального диаметра мышцы ~ 0.03м. и перемешай шачвшях давления питания и дайны секции (Ркс.8.) Общий вид корреляционной функции:

Л XI -- с0- Р р- О П11 о] ■ Р р !. 8ец + с3'Рр - су РртС(1 зек' ^ гп ^ зек ' V *- бек

ЛХ1 -- ЛХ1 Ь с, ь т + с, 0 т2;

Оцененка величины погрешности ашгроксктпки:

ДХ1 = 0.05058 $ . ЛХ1 лх = о.08308й

.... дх" '

Средняя погрег.шгость 31иисле1шя не превышает 8-10%, максимальная погрешность порядка 20%. Расчетная зависимость для определения оптимального диаметра и длины секции механической мьшшы:

_ _-МР + с;Чек •=,)

Рис. 8 Г рафик корреляннокпой функции.

Корреляционная функция имеет глобальный максимум сокращения для каждого диаметра мынты при всех принятых ограничениях.

Выполнена конструкторско-технологическая подготовка опытного производства механических мышц, для чего: а).разработан комплект нормативно-технической докумсаггагрш в виде стандартов предприятия, определены техштчесоте требования, харатсгерисшки, методики приемочных нсшлташй; fi>. разработаны различные конструкции механических мытц, отличающиеся, как расположением нитей армирования, так и материалом оболочки, проведет,i сравнительные испытания, получены практические рекомендации по совершенствованию конетрумши; tf/разработаны и отлажены две. технологии изготовления механических мьншд, на основе латекса и резиновых смесей, разработяшл и изготовлены моитажио-сборочште комплексы и технологическая оснастка.

На основе механических лышц разработан новый дифферешргальш.ш мышечный привод, содержащий мышцу и се антагониста, связанных с исполнители гъш органом посредством устройства преобразования поступательного движения и поворотное.

V X* • п. |Чг *5 ***+« *» *1 к' % *

Мл

Мм -Ф

-м

нам шя «■ Мм

Мст 1ШШ . .

Получена структурная схема привода. Патчена и исследована персдаточпа* функннк и переходный процесс по управлению. Показано, что механическая мытгь является интегрирдащим звеном 4 порядка с Сюлышш запасом устойчивости.

£

I—ГР73К-

С2

7а =* соп^ (4^11_______I--Г Ра

Рис.9. Сгрукгуриая схема дифференциальною мышечного приводя.

18

J К15 S.K22 Р~ -К1& Р -t К20 J

" Vі рГ'^

ередаточнзя функция мышцы:

К'«

W3 , =--------,.р---------

і ,;іі (ко -«7_] р \ кіз ;

Общая передаточная функция

КЗ -W3 КЗ W2

W

ob

, / КЗ К.5

1 -т-W3 -К9 W2 I------------р -і---- -

\М5 K1S

К24 (р і К14 I

После преобразования поп учим:

W2 ___ ______ ЧРЧ-К14 і____ _______

рг ,.fK14 --К15 К22 ) ра-К15 К’0 р + К15 К-20

Посла замены клі =кіз мя +-М7 получим:

W3

КТ6

Обозначим

К24 “КЗ -К15 К'6

К25 “К14 -f'KlS К22 -fK21

КГЄ ' = К15 '<19 —К21 <KU -+-KI5 -К22 t-f-K9 КІ5 -КЗ

К2? '--К15 <20 — К21 -М-э -К1Э +-К9 -К15 і К£ — К'4 >

К23 ' = К21 415 -К20 -г К& K1S -К14 К5

р -.-KIS р* ї-<25 р “ -t К27 P-I-K28

-\fm "0.000005

п "0.. 500

Исследование переходного процесса

К23 КЭ К15 К16-ЛГ т

2^': -1А ехр ’ а j -sin (в <п + а) -f- В -ехр {Ь *п I ‘ -К2Э

t -0.001 п

П

Рие.10. График переходного процесса мышечного привода.

р і к«л

Пятая глава, «Математическое моделирование ипформацпоппо-тергетических процессов « системе приводов робота 1IF-5M с использованием уравнений Лагранжа 2-рода в матричной форме».(96 стр.).

В качестве объекта исследования выбран промышнешвлй робот' с многозвенным шшшуляюром с вращателышшн паралш: аналог руки человека, в

качестве приводов использованы разработанные механические мышцы. Свяжем с каждым звеном систему координат: ось г, но оси нары (i,i+l); начато координат системы i, жестко связанной со звеном L ЛСЖ1ГГ 1И общем перпендикуляре К ОСЯМ 7,4 и z,; ось х, по общему перпендикуляру к осям гхЛ и и направлена от точки пересечения этого перпендикуляра с осью к точке пересечения с осью ось у, по правилу правой ipoiuai векторов. Выбранные системы координат позволяют с помощыо двух сдвигов и одного поворота описать переход из одной системы в другую. Каждому m этих данжений соответствует матрица вращения ши сдвига. Результирующая матрица перехода, связывающая системы i-1 и i, является их произведением.

Ai = В (к, © ,) * В „ (к, s,)* В с) 0, и,) * В U, a ,)■

С учетом [173], после иеремножезшя подучим матрицу перехода:

cos О . -sin О * ccs и , sm в > sia a . a , cos & . sin в cos 0 cos a - ccs 0 >»m a a . sin G,

Ai ~

0 sin a , cos a, s.

0 0 0 1 С помощью матрицы Ai связаны радиусы-векторы одной точки в системах i-1 и i:

Матрицы положений звеньев.

сог•°о) 0 - sin fa 0 0 j cos (0, j 0 -sin/Oj') 0

МО -- sin (Qj j 0 COS (0O) °i M1 - sin (ft, j 0 COS { У } 0

0 -I 0 so ! 0 0 0

0 0 0 1 I J 0 0 0

cos [е2] - sin (ti 2 ) 0 2,,‘COS (S) { COS -SinfO^j 0 a3-cos (e3

Ш -- sin ( бл ) COS i 0^ j 0 a.,-sin \) t ! из - sin 1 u,) COS 10,) 0 a -sin f'0_ 3 \ •*

0 0 0 i 0 0 1 0

0 0 0 1 i 0 0 0 }

T3 - M0-M1 М2-IV

cos ;0 ' -SinfV ) \ */ 0 a4‘ccs (fl0 i i ■ 0 875 0.216507 -0.435013 0.0375

m .= sin 6 4) 0 COS ft).'' V. ^ ' 0 0 1 a *sin 0 >*) i T3.-= 0 216506 0.625 0,433013 -0.75 0.75 0.5 -0.168875 3.885788

0 0 0 1 0 0 0 1

Решение прямой задачи кинематики мшватулятора предполагает определение положение и ориентацию счвата в системе координат, связанной со стойкой. Задача решается с помощью формулы: д = 7- ♦ д , где Т„ - матрица, равнад

произведению матриц А, ? = л, * -Обратная задача кинематики

позволяет определить ’значения, обобщенных координат, обеспечивающих заданное положение свата Для далшейших исследований необходимо решение, как прямой, гак и обратной -задачи для манипулятора 1ТР-5М. Задают на обратную задачу :

2 -я 3

3 ■*

о.

•1.23

0.

Для этих значений обобщеіпп.іх координат матрица Т4 имеет вид:

г 0.639019 0.302745 0.707107 -0.197215 '

Т4

- 0.428147 (І.Р03709

- 0.639019 - 0.302745

! о о

В этом случае:

о

0.707107

о

-0.000651

1.797215

1

Т4

о . I - Т4

'Т4і,:'Т42,о tT4o, :,ґТ4^14о.о-Т4;

-Т4 -Т4

1,0 2,1

•Т4 -Т4

, 2 Х* 1.0 0 , ] ;

%,3 ttl,2 «1

Определитель Д4 = 1. Матрица - чадате: а. п ап_,

Пусть нам известны направляющие cos: Используя свойства определителя преобразованы, составим алгоритм расчета значений всех членов матрицы а .

‘ ' ‘ а „ л = 0.639019

0.3 ■ I . - ■ \ 0.1 ■

Индексы для адаопктЛ звеньев от 1...3. Тогда:

А.., ОГ'ЧГ

\г--< ІЇгт1)-їо.о

-А,

Л

Д »>.|а .

3.1 к 4 \ 0,1

-- А.

3.)

л . , і '.(3 + 2) / а32 •-(-}) ма

Vо,о

Пойдем обратную матрицу МК в символьной форме: -1

-1 - ; а п

о

-1

■ f а

0

а

-1 - [а,.

о. г! О ,2

о

-1 ї-

Умножая M0]j ш v, получіш значення направляющие cos;

s4 I-T4.

Проверка правильности найденных значений и их знаков обеспечена выполнением 3-го свойства определителя преобразования. Невязка всех 6-ти уравнений меньше 0.00000025. Считаем, что задача решена правильно.

Аналитическое решеїше обратных задач для робота ІІР-5 с механическими мышцами. Численные значения постоянных параметров:

mass0 := J mass! - з mass2 : = 2 mass3

4 mass 4 1.5 Fp •- 0.001963 4 -- 0.95

Rshk - 0,03 Mxx - 0!5 60, --- 0 Є. - 2.094395 О

Ps)

0.5 oo.

00,

00.

0 siO( - 0

l

1 ' 2

4.183790 O, - - 1.0+7198 0j 2.P94J95

здесь mass -масса авеньев, Fp- площадь порішія, Rshk- радн>'с шкива, Mxx-момент холостого кода и суставе, Psl- давление в аіяагоїшстах, оо - начальные углы, КПД. Матрицы шерниошшетн звеньев:

н

1.92 0 0 и

0 оо: 0 2-і

0 0 1.92 0

0 2І 0 3

ос: 0 0 0.36 '

0 0065 0 0

о 0 0.065 0

036 С 0 :

н.

і 0 03 0 0 0 7

1 (1 0.15 О О

і О О 0.15 О

'■ 0.7 0 0 4

Координаты цетров тяжести в собственных системах:

«о

1° ’о ’ 0.13 ' 0 15 '

OR 0' 0 0

і Rj : = r2 - Rt = RA -

1 rt 0 0 0

[ 1 1 I 1

timsx

Grriri

-- 3

З

0 max., = О

Orrtn ,

’ok 0 0 0

0 o.o: о 0

0 f Die 0

0 0 0 3

cot 0 0 03

0 0.0S Q 0

0 0 0,05 0

0 3 0 0 5

'.06 0

0 G ■= 0

0 -9

1 e: 0

о max , 4 7

Omm

Предельные перемещения схвата но X, Y, Z:

Хппах

~ а - а і-a Л 2 3 4 ^

а.

Xmin - -' а2 га.

Ymax

Ymin,

л; _ .....4

Заданное поло/кение схвата:

COS f 0о ) С1 - $1П ( 0 ) О

lV' о

о S„

I

М3

: sm (e0 0 cos

1 0 •• 1

L ° Q

COS (V.) \ V - sin (Q \

Sin (6 3 4'; COS ((J^l

0 0

0 0

о

?

М1

Omin - tt 4

Zmax ■ ■ *0 1 (32 *3 + a.))

Zmin4 : = s - и (a: * ^ f a4)

COS : d 0 -sin (h ) o ’

Gin \ 9j 0 DUS (в 0

0 -1 0 0

и 0 0 1

Результирующая матрица 4 звена- тз - мо -М1 -м2 -мз . Результирукчцая матрица

5 ,вс!ю-Т4 --М0-М1-М2-МЗ-М4 Окрашенная матршда М4оЬ:

саз (0,^ 51 и I, о о -а>

- 51П ('о , , соз : О. ; 0 о

<х ,

О

, ши:

Перемножение матриц Т4 и М4оЬ в символьной форме:

ао,п-С03(°.,/ " “и,ГЫп(04> 1гп.о'5'п(й4; -аол'со5'‘М V; -“ц.о'а4

“,.„•003(9.,) - «,,о-81п(04) -а,л-сов;е4) ак, -а,д.;а4

« -ссв|0 ) - а, 1 -ей! С 0 а, - а, ^ссв;*® } а, , -а, с-а<

О 0 0 ]

Максимальная угловая скорость \Vmax:

1.3

Функнкя угловой скорости '-.веньсв:

о10г1 | ■■ \№тах 1-ехр[^-Кх)-1/Ку) - 0.014)

Графическое предсггмлеиис ре-тулътатов расчета:

СэО.-!, С">02,

ИП ’.К> ) Рп

Интегрируя \и)х[кГ], получим выражение для расчета обобщенной координаты 40/^] ]1 функции 1(сек):

е«т (.;кх ] -оо1 -I - «кх} -ку i; е(1 { ]кх 1 -ку I:

/Кх ,

Дифферешшруя дважды угловую скорость по I, найдем угловое ускорение и скорость углевого ускорения-

в) 11 2 И|та* ; • Кх ! • ( Ку | - 0 01 -I ;-ехр ! - Кх , • |'Ку ) -001 -1 )2 |

ет111|_, - ^-вхр ^ •КХ|-|,Ку] - 0.01 -Г;' ;-[г-|<*|-;’Ку| - 0.01 4 ■ 1]

. Механическая мыгаца приводит в действие звенья матшулятора. Пересчет угловА X.-1 0. - Отш , I- + 0.002

з I .1 О I 2

о

Расчет шкенмалыил'о диаметра оболочки:

1Ж I-J

2-ктЧКЦ,Г-(Ц~^

\2

Подпрограмма проверки длины оболочки:

Db.--Db.-~ I-о.ооо]

-1 }

0.5-ОЪ. -

|в.~-------------,------?-

1 0.25-1 Ь.,- ДХ.1

-В.

С.- ---------•' •

-1 I ■ - Л X

1-0 а Л.

ГЦ-ДХ

а.

,<1 + (в.-2-с.-х)-ах

I Ьгеак 11' 1Ь5. - ь0) £0.0001

Площадь боковой поверхности оболочки: 5Ь

ГЧ -лх;

2-я • * Я т -1- В. -х -г С V Iе! х

Усилие пышцы и развиваемый на жене крутящий момент:

!^ПГРШ

к«* кь . . . Г1 .

Мс1 -------• -------------- - ЫоЬ ,'ьш !а т - гооп 1 -п

.1 *> I <„ \ 1 • т, I > I

I

\

/а

III

.11

I

Математическая модель манипулятора ПР-5М. Находятся максимальные значений угловых скоростей для заданных тахограмм, вывод схвата с помощью регуляторов давления в мышцах. Постоянные параметры звеньев, соответствуют приведенным ранее. Приведены только основные расчетные формулы.

Результаты решения обратной задачи:

3-л л_ -я „г, 2-и

ог(1 я о

о г, :■

о г г.-.0.0131*

4

О

Члены матрицы N коэффициентов при вторых ирмшодкых по обобщешгых координат веек -звеньев

Гог j е 0 .. 4

4 О

м1.о- I: т;

1 = j 1с =* О

Iм,.О

I! Гог I е ] 4

и "

1 4

мь.‘

Р;..

. ! Гог )е2Л

) -4 *

3.3

3 Гог j 6 4 .. 4

) ,4

N .

1г 1 и . . -н - • / и . , I

\ : . д 1ч 1, к '

,Т

; - } к - 2

! N - ,

! )•?

Ьг I е 3 .. 4 ? 4 3

{ N — > ’ > ’

;| 1 - ) к - 3

* N .

и-' и . -н. - ('и . >т

■- I 1 . I ,к / /

1 ~ j к - 4

Частные производные мшетгмеасой энергии по 0 п ... 8 4;

4 I I

^'4,

и-/и. ..н.-глхм.ккЛЯ л- -V,

\ -и.1 1 5 - / 1< -1

1-1 к — о 1 -- о

Частные производные потенциальной энерпш по о ... О :

4

-

Р.-- V 1Ш8.-(0) -и. .-К.

Д ^ Г 10 1

времени

Wtreix <— j

Этштонные значения прошво.щсых обобщенных координат и их ггрошио/цгых при заданных тахограмыах в виде кривых Гаусса:

W*max<.— f, Wzrnax)

for j 6 0..4

Witmav if i v, , , Й0 min.l •( v. .50 max.'

1 4-Jt'S I Vj4-= у

0 otherwise

for je 0..4 Wz. Wtrax. cx{>[-ICv(Ky - t)2j for je 0..4

Wzl, ..| (2-Wjnax -Кх) (Kv - t) ] -exp[ - Ivi-( Kv - t)2 ]

lor j 6 0.. 4

Wi2 i- 2Wtnax-ICs.-c\j»[ - Kx ( Ky - <)2] ■[ 2-Кх-(Цу - t)“ - l] for je 0..4 •

n nn 1 «> v'Kx-t - vKi-Кл/ + erfvsjKx-Ky/'

0 sc.00. -+- - 'Л Ллmas.•------—-------------- --------- ----- —

J J ? ' J 1—

-,/Ks

Моделирование работы пропорциональных регуляторов давления: for j е 0.4

ipiY~>j+]o10j ' Wzj “ }j-'

к j

s p <— ! "V

pP if pm.>pt>

P otherwise rai

0 ir fv<°

I J I. I

J ' P rj, otherwise

i J

ant.'

IP

ant Г j

pP if p№tj>pP Р ilnt otherwise

0 if pant.<0

Pant otherwise j 26

Моделирование работы мышц и ш аитягоїшстов:

;в _ ^ j I j' Т:Г7Г0 - лх'Т

:-Ч. - Л X

/1 -- г В 2 С -х/ d :

!|Dba j 2 -R ibr i g 0 .. 4

,j(ba)z - (I, - AX. jV

Dba . «--DV>a — і-0.0001

і j

Ba _ «-5 -Db‘'_j - R m

‘ч (Г;? -nJ0 ~’л5 '.r;

- Ba

Ci j*~ г^тігіг

f'l- „ - ЛХ.1 ,

Г.УД

' Jo

break if Lsa . L. £10 0001 J

г„ - л x .

; 1 '"йа . — 2 -0.1 -к V d n

-V \ J J /

I

sb

:■* .;'R rn ^вГх_. crx2;dx

J 0

;| a „ диа t H . )

n .v

,j ‘

is* . — Pm •1C"-Sb

J

■ P

ar.t

•10 -Sfca .

! )d :

-- P m -ID -7i -R

/Nob .-cos (a. m \

Rshk

'ob --..пі /a

і Mda

/Noba • сої -a ,„f '

Rs.1* j : ,!nt j.-

J . sin f a aitt )

Noba . -sm . cx

Db Db . •- і-0 0001 і j

break if і Ls . - L, “i <0.0001 v } о

J-’i J і

F<iona j -її

Моменты реакции упоров 'женьев в крайних положениях, результирующие шакалы приводов звеньев, решение системы а;п'сбракчески\ уравнении с целью определения в явном виде выражении для вторых производных обобщенных координат для каждого звена, вычисление 20 производных функций:

D(t.y)

for j е 0.. 4

Mu.

iCu-iv. -0mm.') if y. , ,<0mm

Vjt-5 j.,1 ■’j-1-5 .1

ICu‘iv.. - Omas.j if y. . .>Omax

| '.-J+-5 j, ■ j : 5 j

j 0 otherwise

for j e 0.. 4

0 Md. - Mda. - Mxx-sign f v. 'i - Mu. i J j v j

for j s 0.. 4

v4.

[P.! -

4 J/0,0

V.«-0 . -J J

vl *-N'l-v for j e 0.. 4

u.<— vl. j j

lor j e 0.. 4

u. <-v.

J ~5 J

for j 6 0.. 4

«j-ю- 1° lf (yj + 1o>Pp)-(W/.. -yj>0)

!° if (Vj-t io<0)'(Wzj" yj<0)

f i ч Кос . •: Wz, - v. i otherwise

I j \ j ' .h

for j e 0.. 4

u. — jo if (\ >Pp'j-(v." W7..>0'|

j-15 j v'jH-IJ 1 > '/J I '

0 if (v. <0)-/v. - VVz.<0'i

V- s +15 ; • j j /

Кос. • f v. - Wz.'] othenvi se

! i rj j,1

На графиках переходных процессах обращает на себя внимание отсутствие колебательности и перерегулирования в процессе одновременного перемещения всех звеньев при прижатой к упору киста руки. Наличие в приводе вена механических мышцы и антагониста позволяет осуществлять шавпий разгон и торможение путем автоматического переключения иигшшя по угловому положению -звена ш по времезш.

Мишиным экспериментом та математической модели робота можно находить законы управления давлением в мышцах и антагонистах в функции времени:

Методика синтеза законов управленім давлением в мшицах и их антагонистах. Находим численные значения матриц углов, скоростей и ускорений звеньев:

Находим положение схвата относительно стойки:

-* °-3, .ч, Л » Vі 'Г іг(і;. ..Н1-»і.ікт

і.п .■_________________і \ '1,1 1 к

і = і к = О

Находим матрицу, описывающую весовую картину звеньев:

’ з ’

=- 1! : <;Т г,.і к<

і = \

Находим плсмеїгшвектора угловых ускорений звеньев НИ: («Г‘)1>0-вХ0 -■ їУгІ,^

Решая систему уравнений даижеїшя относительно А Р, получим:

Запишем метод расчета в виде программного блока функции IX п):

IX п)

Гог .і є 0.. 3

З і і

уЗ.<~ Ч'- ' \ ' V . .-К- (М1,Ш,МЗ,і.к,Гн-Ч>. .^2

.і ,и,-і <,! 1 '! і ■

і = і к = о 1 = 0

ґог ] є 0.. 3

3

Р.-- Ч' ' тгя Ч.1 .-К.

J і м 1

3 = .І

Гог _і є 0.. 3

Ми.-- І Си-'б. -■ Оіліп) іґ О.<0тіп.

г J і V .і )! J .і

і І Си-“О. - Отах і ІГ 0.> Отах

і: ■■ .1 І' .1 .1

} (0 ОІЬеПУІїС

1

(ю^-Рр-КаЫ^'Т!;

і

др

----------Мхх-8І8я;ЛУг ’ 1- Ми і ;Р і + \3 ; 13

0 І ('хг1' ' ' ' (/0.0

,;п,о і

АР,

Д Р,~

уу/-1, . . , 1 ---------- 7 Мхх-яіеп ‘ ЛУг ' і Ми і ' Р.) -і- \'3 -В

(ьг1;,, " °-° І

Мгі, і

..__±_ г Мхх-5ІШ1 -Г Ми, :• ;Р7) -і- У30 і-в

. і і. ' ' 2:2

п* т-

■о.о

9 17— АР,10 -РрНйЬкт) - Мхх-зі&п(\Уг ,і -• Ми., - (Р,) - уЗ,

■о.о

АР..

ЛР

Т-1'

—- ~Мхх-8ійп іЛУо + Ми, -і- (Р.) і- уЗ, і-

ЫЛ,, ' "'М Л

Графіки законов управления давлением в мышцах, при выводе схвата в точку :

ЗО

Оптимизация по быстродействию промышленного робота ПР-5 М. Показано, что возможно оптимальное перемещение всех звеньев робота ПР-5М при выводе центра охвата в требуемую точку. Исходные уравнения для вычисления углов поворота:

Г

‘ЧГ

Э3 = 2.094395

а!

-•Бт (0, 1 +■ — -сое I 0,) •

, еоь [0,1 соя 10,

а, ' яп(О,] нт^0з;

^ ТЗ1 ,-зт(83) ТЗ, 3-соз (0.) со$ (©3 )

. . ! - а1 с1 - \]а\ ^с1

О, ЯЙ1П

1аГ~ 1) •! с! — 1,

(а1 : + 1)

ТЗ

0,3

бш ГО,)

0, = -1.047197

г а,-сое ГВ^)

Ь ■ {эт (О „) (- соб ! 0,1 -1ап 10,;

• V •?,- ' 3, >, 1}}

0,1

с-(яп (0,1 - соз (0,1-ит (О,]) - сов (01 г

_ г ^ . / - й л а, т ГЗ, '

а0,0 ~ 'С''а0,1 °1 =300.5 I---‘---------—!

а,'со5 (9,)

а

а

Полагаем, что для >пши\т'зацші времени перемещения счвата нужно перемести» схваї но прямой меж;*у начальной и конечной точками, длина которой равна:

L (Чу ТЗЬ)г1 (™гуЩ/' I. = 0.53066

Рпюбьем этот отрезок прямой на N частей н найдем текущие -шачешы координатсхвата: N.-82 j.-0.. 82.

ІЗ -Т30 T3..-T30 .

>, -1Ж .ч -----------------0’- •; v :--T3Q. . ....І ’ і

- -j і.-- N 1

0.3

N

Т3,,-Т30,, ; .. ,2 , -.2

7 :--’Ш г________________—-І s. - ,,fx ; MV.i І- iz. ■■ s.

I l3Kt2.3 r N J 3 ”1 \ і/ b’ f -

Изменение обобщенных коор/игоаг при движении схвага определяем по формулам:

03

• х: •— acos

*2 Г ~ ("з) ~ (S,)'

2'VS

а).

J

а7 , , а, . ,

—--■sin [ОЗ.Ї -'■-■—■cos (03-*і-

„ J' У У

U -V

cos : 03.) cos I ОЗ. і

______\_ jJ_..._______} і

’ sin і 03-' sin j оз.; з; \

cl .

02. = asm l

v. -sin (63.) y.-tos І03.І cos (03. !

■ _' J '■ S' J \ J> '■ ,i ■'

sin /03.'

\ j;

-al.-c). J j

.'/«І.Г-fd.'r- :al +■ I і icl.T - 1 і

•і ■■ j/ '. ]■' !' j! Jl h' !

j v

3:

J;

a 01. ---——, ... . , . . . , .

J c.-fsiai03.; j. cos '03.)-tan ;l)2. і ’ -■ cos;03.і t siuf03.1 -Ian.:'02.і

J \ •• 3/ < 31 3; ; )’ J.; V 3:

i- aOO.-a x. \

01. - 2 % - acos і - і j j. 53.. 82

J і a -cos ,;()2. '' j

■ - ' 1 / /,

Покажем различную дащалгику робота при иіравлсїши но трапещшдалъпои тахограммс и но тахограмж в форме кривой Гаусса:

а

Л’.ювые ускорещш при трапещшдалыгой тахограише:

Угловые ускорещш при тахограмме в форме кривых Гаусса:

Сравнение коор;ишат траектории перемещения:

В результате решения оптимизационной задачи время движения снижено на 25% при значительном улучшении динамики.

Опгамизациошалй расчет скорости потребления сжатого воздуха и объема ресиверов при работе робота ПР-5. Изменение обьеш мышцы во времени.

Л X . - /| 9 . — 0 ппп . • _ +. 0.001 1

п 11 п ..I ■> 2 г !

1)Ь . ! а -н Ь'Ь.'Г - (Ь. - АХ 1-0.97

П,1 I ( V 1-‘ \ J ".1/ .

Приведенный к атмосферным условиям объем воздуха в мишв ] звена в гЦ] ппемеятов. [м3] *

Скорость потребления воздуха мышцей звена):.

А V

.и ),]______П1.|

0.004

Апалошчно для атагашста. Сумыироваше скоростей потребления воздуха зішшаш и их аіпагошстанш за один цикл (I = 5 с):

п : - N,1.. N. " > "

— •('о, V, м,-.чс 1

3 Угловая скорость «> }(о Давления в мышчс н антагонист*.

/ г’\

г» г».і із 0-5 / - \ / • N / \ / \ "’''"г ’ £>.№ ^,г. 7 7 “и; ’ '0015

о о.?і и г у V* 3 ) 0?‘ 1.5 ,! 15 V»

Средняя скорость потребления сжатого воздуха одной мышцей: М3/с \'2 - ( (>, -г ——-І - N. ) -0.002 \'2 = 0.001012

11 -» / ч - 1 ■

Суммарный расход воздуха:

Qsr -------------- <}8Г = 0.002028

N10-0.002

Графік средней скорости потребления сжатого воздуха: (^г 0.00202! '

п

А <„ • .5.

При средней производитель!юетти компрессора (^г - 0.002028 объем резервуара при избыточном давлении Рр - 0.5 МІІа должен быть равен:

у ~ V = о.оооб7б мз

П

Шестая глава. «Решипация научных птозіеский».0.€ стр.). Теоретические результаты работы осуждались на научно-техиичееких конференциях. С участием

автора 26-29 пояґіря 1997г. проведена 1'“ Всероссийская конферегщип («Новые технологии управления робототехшиескгош и аїлотранспортшлш объектами)», 13-15 января 1999г. в Ставрополе, 23-27 ноября 1999г. в Новочеркасске проведены лве международные конференции «Новые технология управления движением технических объектов». На различиях конференциях и научных семинарах опубликовано 76 статей, издано 5 монографий, на уровне изобретений создано 27 новых технических объекта Управление по рывку реализовано в машинах контактной сварки МТК-100 и совместно с к.т.н. Лкфорешсо Р.В. в машинах диффузионной сварки СИ-124.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ :

1.Предложен новый подход к описанию управляемого механическог-о движения в живой природе на основании загона сохранения энергии, начал термодинамики и энергетических параметров движения. На феноменологическом уровне предложены соотношения между '’иергстпческими. тепловыми и информационными явлениями, ирисушишт движению

2.Технически реализованы, предложенные автором, рабочие гипотезы о принципе работа и уігравдения скелетными мышцами.

З.Определен физический смысл, выполнено математическое описание и установлены размерпоста всех энергетических параметров движения. Эяеркгичгсшге параметры движения характеризуются, на наш взгляд, изменением во времени удельной ’.шерпт а ^ F , iLiLij • тем тим значением удельной

энергии f F л Е (/) ^ ; расходом удельной энерпш во времени Г ^ (! ) ■

( ш ' г I ' > m V 4

работой удсльпой энерпш г f £_* ЦП Здесь: E(t) - энергия [Дж] . V -

•> ' 711 Г

объем |МЗ], F- площадь поверхности, нормальная к вектору движения [М2], m = масса [кг].

4. В результате реализации гипотез о работе и управленій скелетными мышками:

-создан новый технический двигатель - механическая мыпща, представляющая собой заполненную рабочим телом эласпгчтто анизотропную оболочку обмадакчиую свойством направленного изменения объема ігри изменении энергетического состояния рабочего тела в оболочке. Патент RU 2137950 F1SB 11 МО;

■ -разработан новый дифференциальный мышечный привод, содержаний мышцу и ее аптатнистп, связашше с исполнительным органом посредством устройства преобразования поступательного движения в поворотное.

-разработаны алгоритмы эиергегпгчесхого шравяешга, в которых используются анпарлпо или программно полученные (в процессе обучения робота) значеній энергетических параметров механического движения, с коррекцией завершающего этапа движения в режиме следящего привода. Машинным экспериментом установлено, что возможно движение в режиме управления по энсргеигческой памяти в течении 75% времени заданной твхограммы, а в течении 25% времени возможно скорректировать движение и привести схват манипулятора в заданную точку с погрешностью ие более 1.4 мм на 1000 мм перемещения.

4.Разработана математическая моден-, механической мышцы, описывающая сокращение мышцы, как функцию формы оболочки. Форма оболочки оішсана уравнением параболической бочки, диаметр которой увеличивается при ее сокращении. Установлены математические ■зависимости диаметра, площади боковой

'поверхности її объема мышцы от ее рабочего хода. Математическая модель отражает свойство механической мышцы: увеличивать тшущее усилие с ростом давления при одинаковом переметеш ш и снижать тянущее усилие с ростом рабочего хода при одинаковом давлении. Энергетические потери в материале оболочки описаны на основании расчета нормальных и касательных напряжений и деформаций по граням октаэдрической площадки. Геометрия оболочки оптимизирована по кріяершо равнопрочности В математической модели введены ограничения по начальному значению рабочего хода, предельному давлению и нагрузкам Модель адекватна физическому обьекту. Погрешность составляет: средаяя 8-10%, максимальная - 2(1%,

5.Разработшш дифференциальные мышечные гндропневмоприводы выполненные в виде встречно расположенных мышц и их антагонистов, соединенных между собой через блок гибкой нерастяяашой шгшо. Доказаны их неинвариангаость к перемещаппо, малое перерегулирование и колебательность. Разработан новый метод формирования управляющих параметров, отличающийся тем, что дифференциальные и щпигралыые составляющие этих параметров формируются с обратным! знаками для мьщщ и антагонистов.

^.Разработана процедура проведения операций над матрицами с тремя дискретными аргументами при использовании уравнений Лагранжа 2-го рода в матричной форме для моделирования промышленных роботов Использование данной процедуры позволяет- решать задачі! в такой записи:

Гог і є О.. 4

4 і і

у4~ ■ ' V Гг (и Н •иТ(М,і,к,1>і -У,-V

J .....и .і™,- ^_і \ і,і і ' / к • 1

і-і к"- О 1-0

7.Разработана математическая модель 5-ти звенного робота с дифференциальными мышечными гадрогшевмоприводадщ. Выполнена процедура аналитіргсекого решения обратных за,дач при контурном управлетш. Настал новизна математической модели состоит описании новых двигателей, при управлении которыми задают параметры тахограммы приводов всех звеньев в ідаде унимодальной функции, (например, кривая распределеїшя Гаусса) и функцию рывка, как энсргегического параметра движения. При этом предусмотрен вывод центра схвага в задаїаіуіо точку при одновременном движении всех звеньев манипулятора по своим тахограммам. Адекватность математической модели обеспечивается фундаментальностью примененного математического аппарата для описания динамики шнипуляторов, корректностью иршшых ограничений и допущений, применением математических пакетов, зксперимсіїтальншш исследованиями механических мышц.

8-Разработаны алгоритмы управления движением и позиционированием промышленных роботов по наработанным в процессе -обучения энергетическим параметрам. Алгоритмы проверены машинным экспериментом для гидравлического и пневматического дифферешшалъного мышечного привода звеньев. Алгоритмы управления подтверждены структурной схемой привода и передаточной функцией по управляющему воздействию. Исследована эффективность управлешы при

выполнении всеми мышцами команды на внезапную остановку с последующим продолжением движения схвата в чаданнуго точку, в результате чего доказано, что переходной процесс имеет малые перерегулирование, колебательность и постоянную времени, а позиционирование происходит без снижения точности

9.11ри решении задач управления и оптимизации управляющих параметров проведено сравните при управлении но тахограммам в форме трапеции и кривой Гаусса. Установлено, что точность позиционирования при использования тахограмм в форме кривых Гаусса на порядок выше, чем при трапетцшдалыгых формах тахограмм (0.6мм против 6 юі), расход энергии соответственно меньше на 13%;

Проведено сравнение различных методов энергетического и кинематического управления по критерию качества. Ранена оптимизационная задача по быстродействию робота за счет выбора оптимальных тахограмм, что позводило повысить быстродействие до 25%. Проведена оптимизация параметров компрессора и ресивера блока питания робота с пневмоприводом с учетом одновременной работы приводов всех звеньев.

10. .Па основе механических мышц ц д ифференциалы tux мышечных приводов разработано более 27 новых устройств для автомобильной, 'факторной, нефтеперерабатывающей и трубопроводной промышлашоста. Разработаны приводы коробок передач, сцеплений, дифференциалов автобусов и автомобилей, ошалкшплх тормозной нневмосистемой, Все устройства выполнены па уровне шобретешій. Начаты работы по внедрению дифференциального мышечного привода дасрей автобуса ПАЗ-5272 (положительное решение гто заявке 99104608 F15B). Ведстся проектирование насосов и запорно-регулирующей арматуры для трубопроводов. Управлешіе по энергетическому параметру - рывку реализовано на Ставропольском инструментальном заводе при модернизации стыкосварочных магаин СП-124 и МТК-100. По контролируемой величине рывка каретні определяется закон управления величиной сварочного тока. Внедрение система позволило снизить брак при изготовлении шгангоузла с 15 до 5 %.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях: Марти А.Н., Сидоренко С.А. Оггаашзация динамических характеристик промышленных роботов в условиях ГПМ. Материалы 3-й Всесоюзной НТК «Динамика станочных систем ГАП». Тольятти. 1988. -с, 10-11.

Марта А.П. Разработка следящих пневмоприводов с гидравлическими устройствам! управления дая машин с мної ократным измеиеішем приведенных масс на рабочем органе. Дисс. на соис. уч. звания к.т.н. Москва. МВТУ им. Н.Э.Баумана. 1994. с.195. Марти А.Н. Математическая модель привода перемещения каркаса многоэлектродной сварочной машины МТК-100'3 с гидравлическим управляют»! устройством. В книге «Теория и технология производства порошковых материалов и изделий». Сб. научи, трудов ЯГТУ. Новочеркасск. 1993.-е. 103-111.

Марти А.Н., Лифорешсо РВ.. Маслов А.А., Грвдякина Е.В. Исследоватше биологических алгоритмов управления биомеханическимим объектами. Труда 26 НТК СтГТУ. Ставрополь. 1995. -с. 63.

Марти А.Н., Гридяхина Е.В. К вопросу уточнения понятая высших производных обобщенных коордшат мехашгческнх систем. Труды 26 НТК СтГТУ. Ставрополь. 1995.-е. 41. '

6 Марш А.Н., Водяшк Г.М., Лифоренко Р.В. Математическая модель стсида ДО гарировки nepmr-nmx гфсобразоватслей плавности хода. Материалы 44 НТК НГТУ Новочеркасск. 1996г.

7Г Марти АН. Три уровня представления механических систем при разработке алгоритмов управления и компьютерном моделирован™. Материалы 45 ГГПС НГТУ Новочеркасск. 1996г.

8. Марти А.Н. Биологические алгоритмы управления, применительно к механическт

системам при компьютерном моделировании. Материалы 45 ІГГК НГТУ Новочеркасск. 1996г, •

9. Марш А.Н. Теоретические основы опережающего, энергетического управление системами приводов, инвариантных к внешним возмещениям. Труды Межвузовски НТК «Лейбниц -мыслитель, фшософ, человек». СтГТУ. Ставрополь 1997. -с. 118-120.

II). Марш АН.. Водяник Г.М. Биологические алгоритмы управления, применительно т механическим системам Сб. научных трудов ЮРО Академии горных наук РФ Новочеркасск 1997. -с.116-123.

11. Марш А.Н. Новые подхода к созданию ишеллскгуалывлх управляющих систем s технике. Труды Всероссийской НТК «Новые технологии управление робоготехштескиш и автотранспортными объектами». СтГТУ. Ставрополь. 1997г.

12. Водашк. Г.М., Водяшш А.Г., Марти А.Н. «Мехашмеская мышца» Патент РФ N 2137950.

13. Водяник. Г.М, Марти А.1І, Якименко И.В. Механические мппщы, как новый приво, автоматического манипулятора типа «рута». Труды Всероссийской НТК. СтГТУ Ставрополь. 1997г.

14. Марта А. II К вопросу уточнення поняли высших производных и соотвстствк

физических параметров систем приводов. СО. научных трудов ЮРО Академии горны: наук РФ. Новочеркасск 1997. -с. 110-115.

15. Марти Л.Н., Усова Е.В. Разработка систем опережающего энергетического уиравлеки; гехшнесктш объектами переменной массы в реальном времеїш. Отчет и< Федеральной ІШІІ «Конверсия и высокие технологии 2000». 1998г.

16. Труды Всероссийской научно-техшиеской конференции «Новые технолопп управления робототечшетескими и автотрансиоршдми объектами» Ставрополь. 1998г 11од ред. Марш А.Н. Водяшаса Г.М.

17. Марш А.ІІ., Водяїшк Г.М., Усова Е.В. Теория информациошго-эпергешческог! процесса. Книга 1. «Основные положения. Механические шііпіы» Ставрополь. 1998т -с. 120.

18. Marti A.N., Vodianik G.M., Usova E.V. «Theory of infonnation-energy process» Stavropol . 1998г. -c.40.

19. Марти A.H., Водяник Г.М.. Усова Е.В. Теоретические основы мехмпвді реалыгап времени. Ставрополь. 1999г. -с.40,

20. Марти А.Н., Водяник Г.М. Компьютерное моделирование в механике реальноп времени технических объектов с механическими мышцами». Ставрополь. 1999г. 100с.

21. Водяник Г.М., Водашпс Г.М., Марта А.Н. Составление структурной схемі, дифференциального мышечною привода и определение передаточной функции npj управляющем воздсйствіш измененном проходного сечения нневмораецределигыц Труды 2 Международной конферегатн «Новые технологии управления дзшкеняе) технических объектов». Новочеркасск. 1999г.

22. Водяник Г.М., Марти А.Н. теория и принципы построения математических моделе; управляемого движения в механике реалыюго времеші (на примере промышленньг

роботов с механическими мышцами). Труда 2 Международной конференции («Новые технологии управления движением технических объектов». Новочеркасск. 1999г.

1. Марти АЛ. Водяник Г.М. Трубшщн В,А. Пневматический роторный двигатель. Международная конференция «Аятотракторостроенне. Промышленность и высшая школа». Москва. МАМИ, 1999г.

I. Марти АЛ., Водяник Г.М. Комиыотерггое моделирование в механике рсатшсго времени. 3 Международная конференция «Динамика систем, механизмов и маппит». Омск. 1999г.

>. Март А.Н., Водягшк Г.М., Усова Е.В. «Теория информациошю-знсргегнческого процесса». Труды 3 международного симпозиума «Интеллектуальные системы». Псков. 1998г.

I. Марги А.Н., Водягшк Г.М., Усова Е.В. «Теория тшформашготшо-знергетнческсго процесса». Труды Всероссийской 1ГГК «Нейроинформатика и ее приложения». Красноярск. ! 998г.

Марш А.Н., Водяник Г.М., Усоза Е.В. «Теория информационно-энергетического процесса». Труда Всероссийской 1ГГК «Био.энергоинформатика». Алтай. 1998г.

!. Марш А.П., Водяник ГМ., Усова Е.В. «Теория гатформащотшо-тнергетическсто процесса)*. Труды 6 Национальной конференции по искусственному шггелпекту. Красноярск. 1998г

К Марш А.Ы., Водяшпс ГМ., Усова Е.В. «Теория информационно-энергетического процесса». Труды Всероссийской НТК «Нейроинформатика». Москва. 1999г.

I. Труды 1 международной научно-технической конфершцгаг «Новые технологии управления техническими объектами». Ставрополь. ] 999г. Под рел. Марти А.Н. Водяника Г.М.

. Привод изменения пространственного положения подвгеимх элементов ку?.озов, салонов, кабин транспортных средств. Марти А.Н., Трубицын В.А., Водяник Г.М., Усова Е.В. Положительное решение по заявке № 99104608.

1. Управляемый элемент пространственно изменяемой конструкции. Марга А.Н., Водяшпс Г.М., Усова Е.В. Положительное решение по заявке Ка 99102862. к Автоматическая коробка передач. Марти А.И., Водяник Г.М. Заявка на изобретение №

і. Управляемый привод выключаемой муфты. Марти А.Н., Водяник Г.М. Заявка на изобретение № 991! 9138,

і. Управляемый дифференциальный механизм. Марти А.Н., Водяшпс Г.М. Заявка на изобретение № 99119435

І. Привод управлення работой топливной аппаратуры транспортного средства. . Марш А.Н., Водяних Г.М. Заявка на изобретение № 99119625

Личный вклад: В работах, опубликованных соискателю

пршгадтежат: постановка задачи, разработка математических моделей и алгоритмов реализаций, обобщение результатов исследования: [15,17,18,22], разработка

математических моделей и алгоритмов реализации: [6,20,24], идеи технических реализацшт:[12.,31,23,32,33,34,35,36], постановка задачи, анализ результатов исследования: [13,17,18,19,25,26,27,28,29], разработка основных теоретических

положений: [1,4,5,10], участие в разработке структурной схемы и исследовании передаточной функции привода: [21].

99119155.

Научное издание Марти Александр Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЫШЕЧНОГО ПНЕВМОГИДРОПРИВОДА С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (на примере промышленных роботов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора т ехнических наук

Объем 2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №______

Типография СеиКавГТУ 355038 Ставрополь пр. Кулакова 2. СевКавГТУ