автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы построения манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях

005532260

На правах рукописи

Л

Алепко Андрей Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ С ПОДВЕСОМ СХВАТА НА ГИБКИХ ЗВЕНЬЯХ

Специальность 05.02.05. - «Роботы, мехатроника и робототех-нические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ ¿1)13

Новочеркасск - 2013

005532260

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет» (Новочеркасский политехнический институт) на кафедре «Мехатрони-ка и гидропневмоавтоматика» и в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» на кафедре «Радиоэлектронные системы»

Научный руководитель: Валюкевич Юрий Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Пятибратов Георгий Яковлевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ(НПИ)

Ивановский Станислав Павлович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник центра разработки электронных компонентов и средств автоматизации машиностроительных производств ГИЦ МГТУ "Станкин"

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южный федеральный

университет»

Защита состоится 27 сентября 2013 г. на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл. ул. Просвещения, 132, ауд. 1 глав, корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на официальном сайте ВАК vak.ed.gov.ru и сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан « ^сгс. 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Исаков В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Повышение требований к универсальности, простоте развертывания и эксплуатации, увеличение степени автоматизации, энергосбережения обуславливает необходимость применения новых подходов к проектированию манипуляторов для перемещения грузов. Одним из направлений является создание и внедрение принципиально новых решений, основанных, прежде всего, на синтезе оригинальных механизмов, сочетающих в себе возможность замены традиционного манипуляционного оборудования с сохранением в своей конструкции и расширением степени использования таких элементов, как гибкие связи, с принципами построения классических робототехнических систем, включающих в себя высокую степень автоматизации и использование параллельных кинематических схем. Основным подходом при решении таких задач является единый подход к проектированию устройства в целом, т.е. его механической, электромеханической и управляющих систем.

Диссертация основывается на результатах исследований в области робототехники и мехатроники, отраженных в трудах A.B. Башарина, С.Л. Зенкевича, Ю.В. Илюхина, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляева, С.А. Кузнецова, B.C. Кулешова, A.B. Лопоты, В.М. Лохина, И.М Макарова, C.B. Манько, Д.Е. Охоцимского, Ю.В. Подураева, В.И. Полищука, Е.П. Попова, Д.А. Поспелова, В.Х. Пшихопова, Г.Я. Пятибратова, Е.Д. Теряева, Н.Б. Филимонова, А.Ю. Чистякова, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко и других российских ученых.

Среди зарубежных ученых следует отметить научные исследования, проводимые под руководством Дж. Альбуса, Р. Вильямса, М. Вукобратови-ча, Н. Дагалакиса, Р. Люмиа, А. Сингха, Ф. Такемуры и других ученых.

Существенно снизить массу и стоимость подъемно-транспортного оборудования, а также расширить зону обслуживания позволят конструкции манипуляторов на основе гибких механических звеньев. Данные конструкции могут быть использованы при проведении единоразовых работ в местах, где монтирование традиционно используемого для таких целей оборудования составляет значительную проблему (действующие производственные цеха, складские помещения, в которых невозможно произвести монтаж без существенного простоя в работе). Манипуляторы такого типа могут быть достаточно быстро смонтированы в условиях сложнопересеченной и горной местности, причем в роли опорных конструкций могут выступать элементы ландшафта. Еще одной областью применения могут служить открытые карьерные разработки. Манипуляторы на основе гибких звеньев также могут найти применение в сфере развлечений и обеспечения безопасности массовых мероприятий (в этом случае полезной нагрузкой выступает видеооборудование).

Таким образом, задача разработки методов и средств, позволяющих получить инженерные методы проектирования манипуляторов с параллельной структурой на основе гибких звеньев, является достаточно актуальной.

Соответствие диссертации научному плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011, соответствуют научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехниче-ских систем и комплексов» и госбюджетным темам ГО.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» и 12.12 «Теория и методы построения мехатронных систем и комплексов, устройств управления, контроля и диагностики, функциональных структур для опто- и наноэлектроники» в рамках гос. задания по заявке 7.4586.2011, поддержанной Минобрнауки РФ, выполнены в соответствии с государственным контрактом № 7234р/10119 от 11.06.2009, проектом 8.3383.2011 «Теоретические основы проектирования нового поколения сложнофункциональных блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе радиационно-стойких технологий (Б¡Се, АМБК_1_3/4 и др.)» в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на 2012-2013 гг.

Объектам исследования является манипулятор, использующий в качестве подвижных элементов гибкие звенья.

Целью работы является разработка методов построения манипуляторов, использующих к качестве подвижных элементов гибкие звенья, обеспечивающие пониженные требования к подготовке места монтажа и высокую скорость развертывания.

Для достижения этой цели потребуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных мехатронных систем с параллельной структурой.

2. Разработать кинематическую модель манипулятора на основе гибких звеньев и создать её математическое описание.

3. Разработать методы планирования траектории перемещения груза по различным критериям и предложить рекомендации по их применению.

4. Разработать методы позиционирования, основанные на тензометриче-ских данных, с целью исключения из системы управления избыточных элементов и универсализации области применения;

5. Разработать динамическую модель манипулятора с заданной конструкцией.

6. Разработать натурный макет устройства и оценить адекватность предложенных математических моделей объекта и методов управления, полученных в ходе эксперимента.

7. Предложить рекомендации по использованию манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях;

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, позволяющая с минимальными ограничениями описать

кинематику параллельного манипулятора исследуемого типа с произвольной формой зоны обслуживания;

2. Метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению и обеспечивающий точное движение схвата по заданной траектории за счет применения двух уровней интерполяции;

3. Метод определения текущего положения схвата манипулятора, обеспечивающий на основе использования тензометрических данных о силах натяжения тросов нахождение координат схвата и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модификациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки;

4. Метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, получить диапазоны динамической управляемости манипулятора по скорости и заключающийся в применении различных систем кинетостатических уравнений в зависимости от участка траектории движения манипулятора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы аналитической геометрии, дифференциального исчисления, математического, компьютерного, натурного моделирования, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные на натурном образце устройства.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель кинематики манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, учитывающая возможность описания произвольной формы зоны обслуживания с минимальными ограничениями, основанная на системе уравнений, коэффициенты которого однозначно определяют зону обслуживания, отличающаяся решением прямой и обратной задач кинематики по скорости для параллельного манипулятора с гибкими звеньями. Обратная задача по скорости при этом может быть решена введением бинарной матрицы знаков проекции и последующим использованием единого выражения для любой из обобщенных координат;

2. Предложен метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению, отличающийся применением двух уровней интерполяции траектории перемещения схвата, допускающих задание траектории перемещения достаточно широким классом аналитических функций и использующих определение на каждом шаге интерполяции целочисленных координат следующей точки перемещения за счет комбинации полученных решений обратной задачи кинематики по положению и оценочной функции приращения обобщенных координат;

3. Предложен метод определения текущего положения схвата манипулятора отличающийся использованием тензометрических данных о силах натяжения тросов и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модификациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки за счет решения пропорциональных уравнений для сил натяжения тросов в аналитической записи и определения пропорциональных зависимостей изменения сил натяжения при изменении положения точки крепления груза в алгоритмической интерпретации;

4. Предложен метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, отличающийся от традиционных методов частичным исключением из расчетов инерциаль-ных сил и заменой их, в зависимости от величины ускорения точки подвеса груза на разных участках траектории, колебательным затухающим изменением активной силы. Получены аналитические выражения для оценки диапазонов динамической управляемости манипулятора рассматриваемой в данной работе параллельной структуры, связанные с возможностью деформации гибких звеньев под действием колебательных процессов в системе «точка крепления - центр масс груза».

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением современных научных методов исследований; подробным анализом научно-исследовательских работ, по теме диссертации; корректным применением используемых в исследовании математических методов; методами обработки и моделирования выполненными с использованием современных программных продуктов для моделирования и обработки результатов эксперимента; удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (расхождение составило 9.7%).

Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов математического описания и управления мехатронными устройствами параллельной структуры с гибкими звеньями

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические и компьютерные модели в представленном виде без каких-либо изменений могут быть использованы при проектировании манипуляторов описанного класса, разработанный пакет компьютерных программ позволяет реализовать предложенные методики исследования свойств манипулятора. Создано программное обеспечение на языке Си++, реализующее предложенные методы управления манипулятором безотносительно к программно-аппаратной платформе. Предложены рекомендации по практическому применению манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Опытный образец манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях передан в пробную эксплуатацию в ООО «Вариоматик». Результаты диссертационной работы используются в ЮРГТУ (НПИ) для обучения студентов

специальностей 22040265 «Роботы и робототехнические системы», 22040165 «Мехатроника» и бакалавров по направлению «Мехатроника и робототехника».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Международной научно-технической мультиконференции «Мехатроника, автоматизация, управление», МАУ-2009, (Дивноморское, 2009г.); на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009г.); 7-й международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011; XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2011), Москва, ИМАШ РАН; на научно-технических конференциях ЮжноРоссийского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2007 - 2010 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 - 2009 гг.).

Полностью работа обсуждалась и была рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 работ, в том числе четыре из перечня ВАК, а также получено 2 патента, 1 свидетельство на полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 1 положительное решение о выдаче патента и издана 1 монография (в соавторстве).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 174 страницы машинописного текста, содержит 88 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 103 наименований.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГТУ (НПИ) и лично заведующему кафедрой, доктору технических наук, профессору Шошиашвили Михаилу Элгуджевичу и доктору технических наук, профессору Глебову Николаю Алексеевичу за помощь в завершении работы над диссертацией.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи диссертационного исследования, описывается идея работы и методы исследования, формулируются положения, выносимые на защиту, раскрывается научная новизна работы, подтверждается обоснованность и достоверность полученных результатов, а также выделяется их научно-практическое значение.

В первой главе проанализирована концепция построения современных устройств перемещения грузов, рассмотрены преимущества и недостатки

различных видов грузоподъемного оборудования. Проведен анализ возможных областей применения исследуемого манипулятора.

Проведен обзор способов решения задач кинематики и динамики, на основании которого обоснованы подходы к решению задач для манипулятора исследуемого типа.

Во второй главе приведены результаты синтеза кинематической модели манипулятора (Рис.1), приведена математическая модель механизма, представлены результаты решения прямой и обратной задач по положению для зоны обслуживания произвольного вида и решение прямой и обратной задач по скорости для зоны обслуживания в форме параллелепипеда.

Рис. 1. Кинематическая схема устройства Конструктивно манипулятор состоит из канатов Ко Кз (в дальнейшем звеньев), одни концы которых соединены в точке крепления схвата. Вторые концы звеньев пропущены через шкивы Р0 Рз и закреплены на барабанах Б0 -5- Б3 соответственно. Изменение положения схвата в пространстве достигается за счет изменения длин звеньев при вращении барабанов с помощью моторредукторов М0 М3.

На рис. 2 схематически представлена зона обслуживания произвольной формы манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях.

Для зоны обслуживания произвольного вида получены следующие решения:

= >/(■*« -г)2

А = А/(хГ ■у?* (*,- Г)2;

А

и = >/(*> -*)2+0-, -г)2

Хи 2а х \4а* <""

Уи =еуо| |-с*<<>»-А,2А1+с,«-£»1

(1)

(2)

ь ь2

=с>о(-—-V -А2 +<■.« -V -!•

Для манипулятора с зоной обслуживания в форме параллелепипеда решения прямой и обратной задачи по положению:

2 . г 2 г 2

х_*1 +А -А .

2Х2

2Л '

2у, 2.Г;

Решеши прямой и обратной задач по скорости:

А ¿2 . ¿0 А

У1

Л.

Лу Лу, Лу

(3)

(4)

(5)

А> Х1 ?!

"'■Г'-Г'-Г'-

-к.-г.

где к . и» (у.ЧС-А'Ги^У-УГ.

' V л1 ^

Был предложен метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, не требующий значительных вычислительных, затрат, необходимых при точном перемещении по траектории

Анализ полученных результатов показал, что метод «равного времени», когда обобщенные координаты достигают расчетных длин для конечной точки перемещения одновременно, является вполне приемлемым для практической реализации.

Проведен анализ изменения сил натяжения гибких звеньев в зависимости от положения схвата манипулятора, который позволил оценить необходимую нагрузочную способность тросов, требуемую энерговооруженность и его основные конструктивные параметры (Рис. 3).

Рис. 3. Горизонтальная и аксонометрическая проекции манипулятора здесь Т0-Тз-силы натяжения звеньев; Т0ху -5- Т3ху - проекции сил натяжения на плоскость ХОУ; Ьо Ьз — длины звеньев, измеренные как расстояния от верхней точки шкива до точки крепления схвата С; ао"^ а3 — азимутальные углы векторов сил натяжения; |Зо-Рз-зенитные углы сил натяжения.

Анализ показал, что при уменьшении размера зоны обслуживания по координате У величина экстремума тянущего звена повышается, достигая в пределе величины экстремумов опорных звеньев при стягивании зоны обслуживания в прямую линию. Усилия в тросах за счет нелинейности конструкции имеют сложный закон распределения, величина максимальной силы натяжения троса существенным образом зависит от высоты подвеса груза (при приближении подвеса к верхней границе зоны обслуживания происходит экспоненциальный рост силы натяжения) (Рис. 4). Полученные соотношения для сил позволили провести оценку требуемой энерговооруженности. Она показала, что при зоне обслуживания 70x15x6 м, ¿е = 12м и массе груза т = 1 т. необходимая установленная мощность приводов составляет Р =18,4 кВт, что с учетом идентичности приводов звеньев значительно (10 раз) превышает требуемую мощность для манипуляцион-ного оборудования с аналогичной зоной обслуживания. Однако, при увеличении ширины, зоны обслуживания до 50 метров, увеличение необходимой мощности привода звена составит всего 7%. Для существующего оборудования щирина 50 метров является труднодостижимой.

Р,кг

2000

о 1 | II II-- I I уЗ, град

74,5 765 78Д 60,5 825 84,5 86,5

Рис.4 Зависимость величины усилия звена 0(2) от значения

угла р0(2).

На основании решения задач кинематики были предложены два метода позиционирования схвата манипулятора, использующие тензометрические данные о силе натяжения гибких звеньев. Необходимость проведения тензометрических измерений связана с возможностью обрыва гибких звеньев при возникновении недопустимой нагрузки на элементы конструкции. Таким образом, использование при позиционировании только данных о силах натяжения позволяет исключить использование дополнительных средств контроля (визуальный и т.п.).

Аналитический метод позиционирования заключается в решении системы уравнений:

х]+у] + Ка-2Ы 0;

г,1+ !"=<); 2Хх1 -{Кг +Х2 =0.

Г0 г, г2

Программное решение подобной системы уравнений при использовании данного метода позиционирования непосредственно в системе управления манипулятором затруднений не вызывает.

На основании тех же уравнений кинематики был предложен алгоритмический метод позиционирования манипулятора в начальную точку.

Точность определения положения предложенными способами определяется классом точности применяемых тензометрических датчиков. Для широкого диапазона измеряемых усилий сущесгвуют датчики класса С, точность которых составляет 0,05%. Таким образом принимая погрешность измерения преобразования и промежуточных вычислений в два раза превышающей точность датчика получим точность определения положения 0,15% от расчетной.

В третьей главе диссертации приводится численное решение задачи динамики манипуляторов исследуемого типа.

Основной задачей исследования для рассматриваемой системы следует считать получение зависимостей свободных и вынужденных колебаний в режимах ускорения, равномерного движения и замедления при приложении к точке крепления возмущающего воздействия в виде силы, величина и направление которой известны. Решение этой задачи необходимо для определения зоны обслуживания, в которой возможна реализация САУ с заданными параметрами.

Для исследования динамики манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения возьмем несколько отличную от рассмотренной в главе 2 диссертационной работы схему (Рис. 5).

Отличие будет состоять в представлении груза не материальной точкой, а физическим объектом, заданным своим центром масс.

а)

6)

Рис. 5 Силы, действующие в системе а) статические б) динамические

Обычно для решения подобного класса задач используется метод Д' Аламбера, позволяющий свести решение задачи динамики к системе кинетостатичесхих уравнений, которые, в силу своей простоты, наиболее подходят для численного моделирования. Формулировка метода Д' Аламбера разделяет силы, действующие на точку, и вызванные этим действием силы реакции связей. Как было показано в главе 2 диссертационной работы, заданной силой для исследуемой мехатронной системы, находящейся в состоянии покоя является вес груза, а сумма сил натяжения связей является силой реакции.

Исходя из классического метода Д' Аламбера уравнения для манипулятора по каждой из координат имеют вид:

—

F„+F„ + Fu-m^ + P,=0-,

К + К + К.-^ + Р'" о-

Силы Fi,p2,Fi при данной форме записи уже не могут являться силами реакции связей в чистом виде, поскольку их управляемое изменение и вызывает движение груза. Сила инерции, записанная в данной системе через ускорение точки подвеса груза, действует на сам груз, создавая отклонение центра масс груза на величину, пропорциональную скорости перемещения груза. Отклонение груза также вызовет появление компонент

веса Р по осям х и у (в отличие от статического режима, в котором присутствует только z компонента), которые, в свою очередь вызовут

динамическое изменение силFi,F2,Fi.

Для решения задачи динамики системы уравнений, отвечающих закону Д' Аламбера недостаточно, поскольку имеется зависящая от текущего состояния системы сила Р (вес груза).

Учитывая данные условия, можно разделить движение точки крепления груза по прямой с постоянной скоростью на 4 этапа: 1 - этап разгона до

скорости v, на котором v - функция от времени. Центр масс груза начинает на данном этапе отклоняться на величину Ah, пропорциональную квадрату функции скорости; 2 — этап равномерного поступательного движения (движение с постоянной скоростью v = const), на котором сила, приложенная к точке крепления груза только компенсирует потери при движении (при этом сила инерции перестает действовать на точку центра масс и начинаются быстро затухающие колебания); 3 - этап торможения, на точку крепления грузов действует сила, противоположная по направлению вектору движения.

При отсутствии ускорения точки крепления груза, динамика будет описываться следующей системой уравнений:

■К+Ку+Ку +?>(<)=°; (9)

где зависимость силы Р от времени обусловлена затухающими маятниковыми колебаниями груза, вызванными отклонением на этапе ускорения,-

Третий этап - этап торможения, отличается от первого разгонного этапа тем, что есть вероятность того, что колебания груза еще не затухли. Произойдет наложение колебаний, и если их фазы совпадут, то амплитуда колебаний может значительно увеличиться.

Для получения численного решения уравнений (8,9) наиболее удобно воспользоваться методом компьютерного моделирования в среде 5ипи1тк МАТХАВ, так как в этом случае решение может быть получено в наиболее наглядном виде. Структура модели приведена на рисунке 6.

Рис. 6 Структура компьютерной модели манипулятора. На схеме приняты следующие обозначения:

ЗП — блок задания координат положения точки, в которую будет осуществляться позиционирование; БЗС - блок задания скорости;

НД - блок задания начальных длин звеньев, инициализируется до начала позиционирования; ЭПЗ — блок электроприводов звеньев; X - алгебраический сумматор;

ПК - блок преобразования обобщенных координат в декартовы;

ДМДГ —динамическая модель движения груза;

х3, у„ г, - заданные координаты положения точки крепления груза;

11 я - вектор напряжений на якорях электродвигателей приводов звеньев;

Ьн - вектор начальных длин (обобщенных координат положения);

АЬ -вектор текущих приращений длин звеньев;

Ьи - вектор истинных обобщенных координат;

х,, у,, г, - истинное положения точки крепления груза в декартовых координатах;

М г - вектор моментов, приложенных к валам электроприводов; р1 - вектор сил натяжения звеньев.

Блоки ЗП, НД, ЭПЗ, а также сумматор реализованы средствами встроенной библиотеки 8шш1юк МАТЬАВ. Блок задания скорости в соответствии с алгоритмом позиционирования по времени достижения заданной точки, приведенным в главе 2 формирует напряжения на электродвигателях звеньев. Блок ПК выполнен в виде ш-файла и реализует систему уравнений (4).

Блок ДМДГ также реализован в виде ш-файла и реализует системы уравнений (8) и (9).

Реализация всех блоков за исключением ЭЗП существенных трудностей не представляет и, поэтому, дополнительных пояснений не требует. Блок ЭЗП реализован исходя из известных подходов к моделированию электроприводов и подробно рассмотрен в основном тексте диссертации.

Результаты моделирования изменения усилия в одном из звеньев представлены на рисунке 7.

1 !

1, \ Л г \/

И

л / 'V

/

0.4 »Я М М 2Д Эр «¡0 <} 4 В Ч «р »! Г» 1Л ^t 0/1 Шр 10« ЧА 1« 13Р '3.4

Рис.7 График фактического изменения

Характер зависимости показывает, что амплитуда динамических колебаний достаточно велика, что бы ей можно было пренебречь. Вместе с тем частота колебаний достаточно мала и определяется расстоянием от точки крепления до цента масс. При увеличении этого расстояния, что будет неизбежным при создании действующих устройств, частота колебаний уменьшится, но вместе с тем уменьшится и их амплитуда, что еще больше стабилизирует систему в случае использования нерастяжимого звена.

На основании исходных данных для моделирования динамики исследуемого манипулятора возможно получение динамических диапазонов управляемости манипулятора по скорости. В динамике исследуемый механизм представляет собой сложную маятниковую систему. Рассмотренные в предыдущем разделе соотношения справедливы только тогда, когда все три звена находятся в напряженном состоянии. Однако в системе применяются только гибкие связи, ограничивающие возможные перемещения груза только в одном направлении и возможен случай изгиба одной из связей (Рис. 8).

Рис. 8 Неуправляемые колебания плоской системы с гибкими

связями

Рис. 10 Зависимость максимальной скорости регулирования от высоты подъема груза

Рис. 9 Зависимость максимальной скорости регулирования от положения точки подвеса в плоскости зоны обслуживания

На рисунке 10 показана зависимость максимально допустимой скорости перемещения от высоты подъема груза.

Исходя из соотношений динамики, была получена система неравенств, позволяющая определить максимально допустимую скорость в зависимости от положения точки крепления груза.

На рисунке 9 показана зависимость максимально допустимой скорости перемещения от положения точки крепления в плоскости ХОУ.

Вид зависимости максимальной скорости регулирования от положения точки крепления по вертикали имеет экспоненциальный характер. При этом полученные в математические соотношения показывают, что относительно вертикальной оси максимальная возможная скорость будет меняться пропорционально изменению площади зоны обслуживания, и общий вид зависимости при проектировании реальных манипуляторов со значительной площадью обслуживания будет сохраняться. При увеличении высоты зоны обслуживания манипулятора зона управляемости уменьшается. При соблюдении ограничений по скорости регулирования положение точки крепления груза будет стабильным, и колебательные процессы не будут распространяться на гибкие звенья механизма.

В четвертой главе диссертации приведено исследование разработанного опытного макета устройства (Рис. 11).

ТрвтиЯуро»®»»

Рис. 11 - Внешний вид опытного Рис. 12 - Трехуровневая структура образца манипулятора системы управления

Здесь: 1 - опорная рама; 2 - приводы звеньев; 3 — шкивы, совмещенные с тензометрическими датчиками для измерения сил натяжения звеньев; 4 -точка крепления груза (прикреплен утяжелитель для поддержания звеньев в натянутом состоянии). Обоснована целесообразность и возможность применения манипуляторов данного типа при решении поставленных задач.

Разработана трехуровневая распределенная система манипулятором на базе микроконтроллеров STM32 (ядро ARM Cortex МЗ), соединенных в общую ранговую структуру по интерфейсу CAN (Рис. 12). В данную САУ введена измерительная система, позволяющая фиксировать и оценивать различные параметры звеньев в реальном времени (приращение обобщенных координат, ток якоря, силу натяжения звена). Каждое из звеньев манипулятора может быть представлено в виде электромеханической системы (Рис. 13)

Рис. 13 Функциональная схема звена манипулятора

Здесь приняты следующие обозначения: ПК - персональный компьютер; КУХ - контроллер управления звена с номером X; МК -микроконтроллер; ШИП - широтао-импульсный преобразователь; МР - мотор редуктор; ДТ -датчик тока; ДС - датчик скорости; ДП - датчик положения; ДУ - датчик усилия; Б - барабан.

Осцилоскоп

о «о мсо ЦОС ню »» х*х уао «со «сю их ии га КС т «К «я мц> мое «со «га Врьия

Рис. 14 Изменение вертикальной составляющей сил натяжения тросов при движении

На рисунке 14 представлено изменение вертикальной составляющей силы натяжения одного из тросов манипулятора при движении по горизонтальной прямой. Масштаб по оси времени 1 единица = 2 мс, по оси сил (амплитуда) 1 единица = 30 г. Скорость 0,1 м/с.

Результаты проведенных натурных испытаний полностью соответствуют результатам моделирования, приведенным в главах 2 и 3 данной работы (расхождение составило 9,7% при сохранении общего вида зависимостей). Реализация метода планирования траектории также показала полную работоспособность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании теоретических и экспериментальных результатов исследований в данной работе дано решение актуальной научно-технической задачи - разработка методов и средств реализации манипулятора параллельной структуры с гибкими звеньями. В ходе выполнения диссертации получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1. На основе проведенного анализа обоснована целесообразность и сформулированы обобщенные требования к разработке и использованию манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях. Предложены области применения манипуляторов такого типа.

2. Предложена кинематическая схема манипулятора и её математическая модель, позволяющая адекватно описывать траектории перемещения схвата манипулятора на основе решения прямой и обратной задач кинематики по положению и скорости с целью формирования заданной траектории движения схвата в зоне обслуживания сложной формы.

3. Предложены два метода планирования траектории перемещения схвата манипулятора, первый из которых является методом позиционирования в заданную точку (метод равного времени). При использовании данного метода возможно независимое управление по каждой из обобщенных координат, что значительно упрощает реализацию САУ. Второй метод предполагает использование интерполяционных механизмов планирования, оптимизированных под кинематику манипулятора, и позволяет переместить объект в заданную точку по кратчайшему пути. На практике, в зависимости от области применения, могут быть использованы оба метода.

4. Предложен метод начального позиционирования манипулятора в аналитической и алгоритмической разновидностях, основанный на тензометрических данных, существенно упрощающий систему управления манипулятором и не требующий применения дополнительных средств контроля, что значительно удешевляет конструкцию.

5. Численное решение задачи динамики, позволяющее провести оценку влияния динамических характеристик на элементы конструкции и положение груза в пространстве, получено путем компьютерного моделирования манипулятора, как целостной электромеханической системы. Для построения модели использовались различные системы кинете статических уравнений, в которых, в зависимости от величины ускорения точки подвеса, частично исключается действие инерциальных сил, заменяемых колебательным изменением активной силы, что снижает порядок дифференциальных уравнений и значительно упрощает решение. Получена система неравенств, заданных аналитически, описывающая область зоны обслуживания без потери управляемости системы, происходящей при деформации гибкого звена.

6. Разработан, изготовлен и испытан опытный образец устройства, реализующий предложенные методы управления манипулятором.

Представлена методика разработки мультипроцессорной распределенной системы управления манипулятором, которая без каких-либо существенных изменений может бьггь использована для создания мехатронных устройств данного типа. Сформулированы рекомендации по структуре функциональной схемы звена манипулятора.

7. Исследования, проведенные на опытном макете манипулятора, показали достаточную сходимость математических моделей кинематики, статики и динамики с результатами, полученными в ходе эксперимента (расхождение составило 9,7% при сохранении общего вида зависимостей). Получено также опытное подтверждение полной работоспособности предложенных алгоритмов управления манипулятором и планирования траектории перемещения.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Алепко A.B. «Планирование траектории перемещения манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях (часть 1)»./ Алепко A.B. Валюкевич Ю.А., Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки», №6 (159)-Новочеркасск: 2011 г.- С.12-15

2. Алепко A.B. «Планирование траектории перемещения манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях (Часть 2)»/ Алепко A.B., Валюкевич Ю. А., Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, №1 (160), 2012 г.- С.28-31.

3. Алепко A.B. «Моделирование статической нагрузки на элементы конструкции и оценка энергоэффективности манипулятора с гибкими звеньями»/ Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, №4 (163), 2012 г.- С.20-24.

4. Алепко A.B. «Определение начального положения схвата манипулятора с гибкими связями на основе тензометрических данных»./ Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Яковенко Д.М.. Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3; URL: http://www.5cience-education.rii/103-6401

Другие научные публикации по теме диссертации

1. Алепко A.B. «Синтез мехатронного устройства с параллельной структурой»/ A.B. Алепко, Д.М. Яковенко, Сборник трудов Всероссийская научная школа для молодежи «Итоги и перспективы развития российско-германского сотрудничества в области мехатроники», Новочеркасск, 2011

2. Алепко A.B., Толстунов О.Г. Автоматизированная тросовая система для перемещения твердых и сыпучих грузов в пространстве(статья)/ Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии». —Шахты: ЮРГУЭС, 2010

3. Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Федосов В.П. Статическая модель троса пространственного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения(статья)/ Материалы 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. -430 с.

4. Алепко A.B. Модель троса с квазираспределенными параметрами для пространственного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения/ Сборник научных трудов «Информационные системы и технологии. Теория и практика» - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011

5. Алепко A.B., Наумов И.И., Зеленский A.A., Толстунов О.Г. Устройство перемещения грузов / Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологию). - Шахты: ЮРГУЭС, 2009

6. Алепко A.B., Наумов И.И., Валюкевич Ю.А., Толстунов О.Г. Мехатронные системы для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента (монография) / 2009 78с

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2009612660, РОСПАТЕНТ, 2009 / Модель процесса линейной интерполяции траектории движения схвата неортогонального четырёхтро-сового манипулятора в трёхмерном пространстве // Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Наумов И.И., Толстунов О.Г.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2009612661, РОСПАТЕНТ, 2009 / Модель статического процесса распределения силы тяжести груза между тросами неортогонального трёхтросового манипулятора в трёхмерном пространстве // Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Толстунов О.Г, Наумов И.И.

9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: №2009612662, РОСПАТЕНТ, 2009 / Модель статического процесса распределения силы тяжести груза между тросами неортогонального четырёхтросового манипулятора в трёхмерном пространстве // Алепко A.B., Валюкевич Ю.А., Толстунов О.Г, Наумов И.И.

10. Алепко A.B., Прокопенко H.H., Хруслов A.A. «Дифференциальный усилитель» /Патент № 2346388 Российская Федерация, МПК H03F 3/45 заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2008104004/09; заявл. 01.02.08; опубл. 10.02.09, Бюл. №4.-8 е.: ил.

11. Алепко A.B., Прокопенко H.H., Конев Д.Н. «Управляемый усилитель переменного тока» /Патент № 2375815 Российская Федерация, МПК H03F 3/45 заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2008147203/09; заявл. 28.11.2008; опубл. 10.12.09, Бюл.№ 34.-11 е.: ил.

12. Алепко A.B., Валюкевич Ю.А, Толстунов О.Г. Устройство взвешивания грузов/ Патент на полезную модель № 108138 Российская Федерация, МПК G01G 19/00; заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - № 2010104551/28; заявл. 09.02.2010; опубл 10.09.2011, Бюл.№23. - 5с.: ил.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах. В изданиях, рекомендованных ВАК: [1,2] разработка алгоритмов планирования траектории манипулятора, а также моделирование; [3] разработка модели распределения усилий в звеньях манипулятора, расчет по результатам моделирования требуемой энерговооруженности, рекоменда-

ции по применению манипуляторов данного класса; [4] разработка метода точного позиционирования охвата манипулятора в начальную точку. Научные публикации в других изданиях: [1] иерархическая структура системы управления манипулятором; [2] математическая модель кинематики манипулятора с гибкими звеньями; [3] сегментарная модель троса и моделирование; [5, 6] решение прямой и обратной задач кинематики; [7, 8, 9] реализация компьютерных моделей; [10, 11] моделирование и корректировка параметров предложенных устройств; [12] участие в разработке.

Подписано в печать 1.08.2013г. Печать ризография. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл.п.л. 1,0. Тираж 120экз. Заказ 142.

Отпечатано в типографии ИП Бурыхин Б.М. Адрес типографии: 346500 Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко-143

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ Й*

УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

Кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика»

АЛЕПКО Андрей Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ С ПОДВЕСОМ СХВАТА НА ГИБКИХ ЗВЕНЬЯХ

На правах рукописи

Специальность: 05.02.05 — «Роботы, мехатроника и робототехнические

системы»

ДИССЕРТАЦИЯ

СО

на соискание учёной степени кандидата технических наук

(О

см „ со £

СО 8

см

т— Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Валюкевич Ю.А.

Новочеркасск 201 Зг

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Глава 2. 2.1

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МАНИПУЛЯТОРОВ С 13 ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Функциональные аналоги исследуемого манипулятора 14

Анализ области применения манипуляторов исследуемого типа 19 Анализ конструктивных решений при проектировании манипуляторов 22 Методы кинематического анализа манипуляторов параллельной структуры 32 Методы решения задач динамики манипуляторов 35 Выводы 42 МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ГРУЗА 44 Решение прямой и обратной задач кинематики по положению и скорости манипулятора с произвольной формой зоны обслуживания 45

2.2 Методы планирования траектории перемещения схвата манипулятора 52

2.3 Расчет сил натяжения тросов манипулятора в зависимости от положения схвата в зоне обслуживания 60

2.4 Методы определения текущего положения схвата манипулятора

по тензометрическим данным усилий в тросах 68

2.5 Выводы 73 Глава 3. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ

МАНИПУЛЯТОРА С ГИБКИМИ СВЯЗЯМИ 75

3.1 Постановка задачи динамики исследуемого типа манипуляторов 75

3.2 Кинетостатический анализ 76

3.3 Численный метод решения задачи динамики 86

3.4 Определение диапазона динамической управляемости манипуля-

тора 99

3.5 Выводы 106

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ МАНИПУЛЯТОРА С ПОДВЕСОМ 108

СХВАТА НА ГИБКИХ ЗВЕНЬЯХ

4.1 Разработка системы управления манипулятором 108

4.2 Разработка комплекса программных средств для управления макетом манипулятора 123

4.3 Разработка алгоритмов реального времени для системы управления манипулятором 128

4.3 Синтез САР положения звена манипулятора 131

4.4 Экспериментальные исследования динамических процессов макета манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях 135

4.5 Выводы 142 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Повышение требований к универсальности, простоте развертывания и эксплуатации, увеличение степени автоматизации и энергосбережения обуславливает необходимость применения новых подходов к проектированию манипуляторов для перемещения грузов. В настоящее время для перемещения объектов в пространстве применяют различные конструкции подъемно-транспортных машин, которые являются типовым оборудованием производственных цехов, закрытых и открытых складов и используются для перемещения разнообразных твердых и сыпучих грузов; сборочных и ремонтных работ; монтажа сборных промышленных и гражданских сооружений, оборудования; обслуживания строительных объектов и многого другого. Конструкции таких механизмов обычно содержат массивные жесткие движущиеся элементы, которые помимо внесения существенного вклада в стоимость оборудования накладывают значительные ограничения на такие характеристики как зона обслуживания, энерговооруженность, возможность оперативного развертывания в заданном месте применения. Кроме того, использование массивных элементов усложняет техническое обслуживание и контроль за состоянием оборудования.

Существенно снизить вес и стоимость подъемно-транспортного оборудования, а также расширить зону обслуживания позволят конструкции на основе гибких механических связей. Данные конструкции могут быть использованы при проведении единоразовых работ в местах, где монтирование существующего оборудования составляет значительную проблему (действующие производственные цеха, складские помещения, в которых невозможно произвести монтаж без существенного простоя в работе). Манипуляторы такого типа могут быть достаточно быстро смонтированы в условиях сложно-пересеченной и горной местности, причем в роли опорных конструкций могут выступать элементы ландшафта. Еще одной областью применения могут служить открытые карьерные разработки. Манипуляторы на основе гибких звеньев также могут найти применение в сфере развлечений и обеспечения

безопасности (в этом случае полезной нагрузкой выступает видеооборудование).

Одним из направлений развития оборудования данного типа является создание и внедрение принципиально новых решений, основанных, прежде всего, на синтезе оригинальных механизмов, сочетающих в себе возможности традиционного подъемно-транспортного оборудования с принципами построения робототехнических систем, включающих в себя высокую степень автоматизации и использование параллельных кинематических схем [1]. Основным принципом решения таких задачи является системный подход к проектированию устройства в целом, т.е. его механической, электромеханической и управляющих систем. Подобный подход позволяет при проектировании мехатронных устройств использовать оригинальные кинематические схемы механизмов, компенсируя определенные их недостатки, в сравнении с традиционными, за счет использования новых алгоритмов, систем управления и их аппаратной реализации.

Современные средства вычислительной техники позволяют реализовать заданные законы управления электроприводами для формирования необходимой траектории движения груза манипулятора с гибкими связями в режиме реального времени с учетом динамических эффектов, что было невозможно 10-15 лет назад [2]. Таким образом, перенося основные экономические (материальные) затраты с механической части манипулятора в область разработки программно аппаратного комплекса системы управления, можно получить существенный экономический эффект, обусловленный единичным вложением средств в разработку подобной системы и исключения из состава оборудования весьма дорогостоящей механической компоненты (массивные подвижные элементы).

Диссертация основывается на результатах исследований в области робототехники и мехатроники, отраженных в трудах A.B. Башарина, СЛ. Зенкевича, Ю.В. Илюхина, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляева, С.А. Кузнецова, B.C. Кулешова, A.B. Лопоты, В.М. Лохина, И.M Макарова, C.B. Манько, Д.Е.

Охоцимского, Ю.В. Подураева, В.И. Полищука, Е.Г1. Попова, Д.А. Поспелова, В.Х. Пшихопова, Г .Я. Пятибратова, Е.Д. Теряева, Н.Б. Филимонова, АЛО. Чистякова, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко и других российских ученых.

Среди зарубежных ученых следует отметить научные исследования, проводимые под руководством Дж. Альбуса, Р. Вильямса, М. Вукобратовича, Н. Дагалакиса, Р. Люмиа, А. Сингха, Ф. Такемуры и других ученых.

С середины 80-х годов 20 века в различных странах, таких как США, Италия, Южная Корея, ведутся разработки систем, предназначенных для позиционирования тех или иных объектов, использующих гибкие связи [3]. К таким системам можно отнести «Робокран», разрабатываемый по заказу Министерства обороны США для испытания самолетов в Национальном институте стандартов и технологии [4, 5]. Однако данная система не является в полной мере манипулятором и служит лишь для изменения ориентации фюзеляжа самолета в пространстве. Известна итальянская система «Спайдер-кам», использующаяся для перемещения камеры на спортивных мероприятиях. Данная система наиболее близка к исследуемой, однако она была создана без каких либо научных исследований, используя лишь инженерный подход. Также подобные системы имеют достаточно узкое применение. В открытых источниках имеются публикации южнокорейских ученых, посвященные возможности использования подобных систем в тех или иных задачах перемещения грузов. Все эти работы датированы 2000 - 2012 годами, и их анализ позволяет сделать вывод, что направление исследований, связанное с манипуляторами подобного типа достаточно актуальны, а результаты работ позволяют судить о том, что исследование механизмов с гибкими звеньями, использующихся для перемещения различных объектов в пространстве, находятся на начальных этапах и не позволяют провести конструкторскую разработку готовых образцов на основе широко опробованных методик.

Таким образом, задача разработки принципов и методов, позволяющих получить инженерные средства проектирования манипуляторов с параллельной структурой на основе гибких звеньев, является достаточно актуальной.

Соответствие диссертации научному плану работ ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (ИЛИ), ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом № 7234р/10119 от 11.06.2009, проектом 8.3383.201 1 «Теоретические основы проектирования нового поколения сложнофункциональных блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе ради-ационно-стойких технологий (БЮе, АМБК_1_3/4 и др.)» в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на 2012-2013 гг., а также в рамках прикладной НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011, научным направлениям ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехниче-ских систем и комплексов» и соответствует госбюджетным темам П3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» и 12.12 «Теория и методы построения мехатронных систем и комплексов, устройств управления, контроля и диагностики, функциональных структур для опто- и наноэлектроники» в рамках гос. задания по заявке 7.4586.201 1, поддержанной Минобрнауки РФ.

Объектом исследования является манипулятор, использующий в качестве подвижных элементов конструкции гибкие звенья.

Целью работы является разработка методов построения манипуляторов, использующих к качестве подвижных элементов гибкие звенья, обеспечивающие пониженные требования к подготовке места монтажа и высокую скорость развертывания. Для достижения этой цели потребуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных мехатронных систем с параллельной структурой.

2. Разработать кинематическую модель манипулятора на основе гибких звеньев и создать её математическое описание.

3. Разработать методы планирования траектории перемещения груза по различным критериям и предложить рекомендации по их применению.

4. Разработать методы позиционирования, основанные на тензометри-ческих данных, с целью исключения из системы управления избыточных элементов и универсализации области применения;

5. Разработать динамическую модель манипулятора с заданной конструкцией.

6. Разработать натурный макет устройства и оценить адекватность предложенных математических моделей объекта и методов управления, полученных в ходе эксперимента.

7. Предложить рекомендации по использованию манипуляторов с подвесом схвата на гибких звеньях;

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, позволяющая с минимальными ограничениями описать кинематику параллельного манипулятора исследуемого типа с произвольной формой зоны обслуживания;

2. Метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению и обеспечивающий точное движение схвата по заданной траектории за счет применения двух уровней интерполяции;

3. Метод определения текущего положения схвата манипулятора, обеспечивающий на основе использования тензометрических данных о силах натяжения тросов текущих координат схвата и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модификациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки;

4. Метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, получить диапазоны динамической управляемости манипулятора по скорости и заключающийся в приме-

нении различных систем кинетостатических уравнений в зависимости от участка траектории движения манипулятора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы аналитической геометрии, дифференциального исчисления, математического, компьютерного, натурного моделирования, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные на натурном образце устройства.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель кинематики манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях, учитывающая возможность описания произвольной формы зоны обслуживания с минимальными ограничениями, основанная на системе уравнений, коэффициенты которого однозначно определяют зону обслуживания, отличающаяся решением прямой и обратной задач кинематики по скорости для параллельного манипулятора с гибкими звеньями. Обратная задача по скорости при этом может быть решена введением бинарной матрицы знаков проекции и последующим использованием единого выражения для любой из обобщенных координат;

2. Предложен метод планирования траектории перемещения схвата манипулятора, основанный на полученных аналитических решениях прямой и обратной задач кинематики по скорости и положению, отличающийся применением двух уровней интерполяции траектории перемещения схвата, допускающих задание траектории перемещения достаточно широким классом аналитических функций и использующих определение на каждом шаге интерполяции целочисленных координат следующей точки перемещения за счет комбинации полученных решений обратной задачи кинематики по положению и оценочной функции приращения обобщенных координат;

3. Предложен метод определения текущего положения схвата манипулятора отличающийся использованием тензометрических данных о силах натяжения тросов и не требующий в своей аналитической и алгоритмической модифи-

кациях использования дополнительных средств измерения и контроля, а так же не требующий информации о массе полезной нагрузки за счет решения пропорциональных уравнений для сил натяжения тросов в аналитической записи и определения пропорциональных зависимостей изменения сил натяжения при изменении положения точки крепления груза в алгоритмической интерпретации;

4. Предложен метод численного решения задачи динамики манипулятора, позволяющий провести оценку динамических процессов, отличающийся от традиционных методов частичным исключением из расчетов инерциальных сил и заменой их, в зависимости от величины ускорения точки подвеса груза на разных участках траектории, колебательным затухающим изменением активной силы. Получены аналитические выражения для оценки диапазонов динамической управляемости манипулятора рассматриваемой в данной работе параллельной структуры, связанные с возможностью деформации гибких звеньев под действием колебательных процессов в системе «точка крепления - центр масс груза».

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением современных научных методов исследований; подробным анализом научно-исследовательских работ, по теме диссертации; корректным применением используемых в исследовании математических методов; методами обработки и моделирования выполненными с использованием современных программных продуктов для моделирования и обработки результатов эксперимента; удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (расхождение составило 9.7%).

Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов математического описания и управления мехатронными устройствами параллельной структуры с гибкими звеньями

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические и компьютерные модели в представ-

ленном виде без каких-либо изменений могут быть использованы при проектировании манипуляторов описанного класса, разработанный пакет компьютерных программ позволяет реализовать предложенные методики исследования свойств манипулятора. Создано программное обеспечение на языке Си++, реализующее предложенные методы управления манипулятором безотносительно к программно-аппаратной платформе. Предложены рекомендации по практическому применению манипулятора с подвесом схвата на гибких звеньях.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Опытный образец манипулятора с подвесо