автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Обоснование структуры и кинематических параметров параллельно-последовательного манипулятора с гибкими звеньями

На правах рукописи

Толстунов Олег Глебович

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО МАНИПУЛЯТОРА С ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ

Специальность 05.02.05. - «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ПАР 2015

005560821

Новочеркасск - 2015

005560821

Работа выполнена в Институте сферы обслуживания и предпринимательства ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» в г. Шахты на кафедре «Радиоэлектронные и электротехнические системы и комплексы»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Валюкевич Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты: Кравченко Олег Александрович, доктор

технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный

политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», проректор по научной работе и инновационной деятельности

Ивановский Станислав Павлович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», ведущий научный сотрудник центра разработки электронных компонентов и средств автоматизации машиностроительного производства

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ростовский государст-

венный университет путей сообщения»

Защита состоится 14 апреля 2015 г. в 9— часов на заседании диссертационного совета Д.212.304.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан « » а а км- Л 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, профессор

Исаков

Владимир Семенович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Традиционно задачи перемещения объектов различного назначения в пространстве рабочей зоны решаются с применением манипуля-ционных роботов, имеющих последовательную кинематическую структуру, однако повышение требований к механической жёсткости, грузоподъёмности, массогаба-ритным и скоростным показателям привело к появлению новых классов роботов-манипуляторов, в которых используется параллельная схема соединения звеньев. Замкнутая кинематическая цепь таких манипуляторов обеспечивает более высокую жёсткость всей конструкции, а сокращение массы подвижных частей уменьшает нагрузки на приводы, что ведёт к повышению динамики и точности позиционирования схвата, а также повышает энергоэффективность процесса перемещения грузов.

Для существенного расширения зоны обслуживания параллельных роботов-манипуляторов их жесткие звенья заменяют гибкими, что приводит к ещё большему повышению их технико-эксплуатационных показателей. Однако применение таких манипуляторов в действующих производственных цехах и закрытых складских помещениях весьма ограничено, что обусловлено существенным ростом сил натяжения звеньев с увеличением высоты подъёма груза, а также их недостаточной мани-пуляционной способностью.

Устранить недостатки существующих параллельных манипуляторов с гибкими звеньями и тем самым расширить область применения манипуляторов данного класса позволяют механизмы гибридной параллельно-последовательной структуры, обоснование структуры и кинематических параметров которых является весьма актуальной задачей.

Соответствие диссертации плану работы ИСОиП (филиала) ДГТУ в г. Шахты и целевым комплексным программам. Актуальность выполненных исследований подтверждается их соответствием научному направлению «Разработка и исследование мехатронных систем с пониженным энергопотреблением и материалоёмкостью» Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) ДГТУ в г. Шахты, а также государственному контракту на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме «Теоретические основы построения систем управления мехатронным устройством для формирования программнозадан-ной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента», проекту №2477 Минобрнауки РФ «Теоретические основы проектирования нового поколения радиационно-стойких 1Р модулей и СФ блоков систем связи, телекоммуникаций и технической диагностики на основе перспективных технологий (81Се, КНИ, хРаЬ, КНС, Б1С и др.) и базовых матричных кристаллов АБМК_1 3/4/5 и др.» (2014 - 2016 гг.), государственному контракту по программе УМНИК «Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин», государственному контракту № 7234р/10119 от 11.06.2009 и прикладной

НИР по теме «Синтез системы автоматического управления манипулятором с подвесом схвата на гибких звеньях» от 01.01.2011.

Объектом исследования является манипулятор параллельно-последовательной структуры, в котором используются в качестве подвижных элементов гибкие звенья.

Целью работы является создание манипулятора параллельно-последовательной структуры с избыточностью на основе гибких звеньев, обеспечивающего существенное снижение энергоёмкости процесса манипулирования грузами, а также разработке методов исследования подобного манипулятора.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ известного оборудования с последовательной и параллельной кинематической структурой, применяемого для перемещения объектов различного назначения в пространстве рабочей зоны;

2. Определить основные кинетостатические особенности предлагаемого параллельно-последовательного манипулятора в сравнении с известными механизмами параллельной структуры;

3. Разработать методы планирования траектории перемещения схвата манипулятора предлагаемой структуры;

4. Определить границы применения разработанных методов планирования траектории схвата параллельно-последовательного манипулятора;

5. Провести оценку влияния динамических характеристик на элементы конструкции и на положение нагруженного схвата манипулятора в пространстве;

6. Разработать систему управления предлагаемым механизмом и реализовать ее в составе действующего макета мехатронного модуля по предложенной схеме;

7. Провести исследования макета и сравнить основные экспериментальные характеристики с моделями.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель манипулятора параллельно-последовательной структуры с избыточностью, описывающая его кинематику с использованием уравнений статики;

2. Метод определения граничных координат точки соединения параллельных звеньев манипулятора предлагаемого типа в пространстве его рабочей зоны;

3. Метод исследования объёма рабочей зоны манипулятора, зависящего от величины предельных усилий в его звеньях;

4. Метод планирования траектории перемещения схвата параллельно-последовательного манипулятора, учитывающий его основные кинетостатические особенности.

Методы исследования. Решение поставленных задач диссертационного исследования осуществляется на основе методов аналитической геометрии, методов численного решения систем нелинейных уравнений, методов и средств теоретической механики, теории машин и механизмов, теории автоматического регулирования, теории синтеза дискретно-непрерывных систем управления и теории цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитическое моделирование проведено с использованием современных компьютерных средств, а экспериментальные исследования проведены на натурном макете устройства.

Научная новизна диссертационной работы

1. Математическая модель манипулятора параллельно-последовательной структуры с избыточностью, описывающая его кинематику с использованием уравнений статики и отличающаяся совместным применением уравнений кинематики и статики для решения задачи о положении схвата манипулятора.

2. Метод определения граничных координат точки соединения параллельных звеньев манипулятора предлагаемого типа в пространстве его рабочей зоны, отличающийся проведением предварительного исследования точек рабочей зоны на предмет выполнения условия сходимости статического баланса сил в параллельных звеньях с последующим исключением координат точек, в которых данное условие не выполняется.

3. Метод исследования объёма рабочей зоны манипулятора, который зависит от величины предельных усилий в его звеньях и отличается применением кинето-статического анализа при определении предельно достижимых координат схвата манипулятора.

4. Метод планирования траектории перемещения схвата параллельно-последовательного манипулятора, отличающийся учетом разделения полной зоны обслуживания на две подзоны, описываемые отличными математическими моделями.

Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций

подтверждается применением современных методов анализа и синтеза мехатронных систем, анализом научно-исследовательских работ по теме диссертационной работы, применением методов математического и компьютерного моделирования с использованием современных программных продуктов и обработки результатов экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная значимость диссертационной работы заключается в развитии методов математического описания и управления мехатронными устройствами параллельно-последовательной структуры с избыточностью на основе гибких звеньев.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что предложена и реализована на практике новая кинематическая схема параллельно-

последовательно манипулятора с избыточностью на основе гибких звеньев. Реализован программно-аппаратный комплекс для управления манипулятором предложенной структуры. Создано программное обеспечение, реализующее предложенные методы управления манипулятором.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Предложенная схема параллельно-последовательного манипулятора, а также разработанные математические модели и методы ее описания приняты к внедрению и будут использованы при проектировании системы перемещения грузов на складе компании ООО «Ригель». Научно-технические результаты диссертационной работы используются на кафедре «Радиоэлектронные и электротехнические системы и комплексы» Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) ДГТУ в г. Шахты для обучения студентов по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника профиля «Электропривод и автоматика».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы прошли апробацию в рамках участия в: 9-ой Международной конференции и выставке «Цифровая обработка и ее применение» (г. Москва, 2007 г.); XV Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2008 г.); IV Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ - 2009)» (с. Дивноморское, 2009 г.); 7-ой научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ - 2010)» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2011) (г. Москва, 2011 г.); на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2008 - 2014 гг.) и Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 - 2009 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 19 работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК, получено 4 патента на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и издана монография.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 169 страниц машинописного текста, содержит 84 рисунка, список литературы из 95 наименований.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и задачи диссертационных исследований, описаны методы исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также выделена их научная и практическая значимость.

В первой главе диссертационной работы проведен обзор и анализ известных конструкций, методов математического описания, исследования и управления оборудованием различного класса, предназначенного для перемещения грузов в пространстве рабочей зоны. Проведённый анализ показал, что конструкции традиционного подъёмно-транспортного оборудования обладают значительной металлоёмкостью, что приводит к повышению энергоёмкости процесса манипулирования грузами. Для снижения металлоёмкости механической конструкции применяются манипуляторы с гибкими звеньями параллельной кинематической структуры. Однако анализ их свойств и кинематических особенностей показал, что снижение энергоёмкости процесса манипулирования грузами достигается лишь в некоторой ограниченной по высоте зоне. При высоте подъёма груза большей 0,85 от максимальной, силы натяжения канатов в несколько раз превышают вес перемещаемого объекта. Кроме того, конструкции существующих параллельных манипуляторов с гибкими звеньями обладают низкими манипуляционными свойствами, что выражается в ограниченной возможности обхода препятствий при манипулировании грузами в условиях сложной сцены обслуживаемой зоны.

Для устранения вышеуказанных недостатков, присущих известному классу манипуляторов, предложена принципиально новая схема манипулятора гибридной структуры (патент РФ № 2372274), показанная на рис. 1.

Как видно из рис. 1 а, параллельно-последовательный манипулятор состоит из четырех основных вертикальных колонн, установленных в точках М,, М2, М3, М4 и двух дополнительных колонн - Мр1 и Мр2. В основании основных колонн установлены барабаны Б¡, Б2, />?, Б4, позволяющие изменять длины параллельных гибких звеньев Ь,, Ь2, Ь3, Ь4, свободные концы которых соединены с системой блоков в точке К. Барабан Б5, установленный в основании одной из дополнительных колонн, позволяет изменять длину последовательного звена, условно разделенную на два участка Iр] и Ьр2. Как видно из рис.1 б, один из концов дополнительного звена соединен с барабаном Б5, а другой, свободно проходящий через систему блоков, жёстко прикреплён к дополнительной колонне, установленной в точке Мр2. Таким образом, изменяя длины параллельных звеньев Ь2, Ь3, Ь4 посредством их намотки (смотки) на барабаны Б], Б2, Б3, Б4, осуществляется позиционирование точки К в пространстве рабочей зоны, а изменяя длину дополнительною звена посредством его намотки (смотки) на барабан Б5, осуществляется изменение высоты

подвеса схвата С относительно точки соединения параллельных звеньев манипулятора.

Рис.1. Кинематическая схема: а - манипулятора параллельно-последовательной структуры с гибкими звеньями, б - сочленения параллельных звеньев с последовательным звеном

На основе проведенного анализа известных методов математического описания и исследования механизмов параллельной структуры сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе проведён кинетостатический анализ параллельно-последовательного манипулятора с избыточностью, представленного кинематической схемой на рис.2 с обозначенными на ней реакциями звеньев.

На рис.2 введены следующие обозначения: Т,, Т2, Т3, Т4 - силы натяжения параллельных звеньев манипулятора; Тр,, Тр2 - силы натяжения последовательного звена, условно разделённого на два участка длиной Ьр1 и Ьр2 соответственно; а/, а 2, а3,а4, аР1, ар2 - углы наклона звеньев манипулятора к соответствующим колоннам; Р1, Р 2, Р з, Р 4, Р Р1> Р р2 ~ углы наклона проекций звеньев в плоскости ХОУ к соответ-

Рис.2. Кинематическая схема параллельно-последовательного манипулятора с обозначенными силами реакции звеньев: а - аксонометрическая проекция, б - горизонтальная проекция

Из предположения о том, что точка К соединения параллельных звеньев манипулятора может находиться в любой точке объема, ограниченного колоннами, получено решение обратной кинематической задачи в виде (1) и прямой задачи в виде (2).

/

г-з

\

-ху + (у- -У1)2 + <А -г)2

2 -ху + (У2 у У + (г2 -г)2

-хзУ + (у- -Уз)2 + (*3

-х4У + (У4 у У + (г4

\

(х-хр1) + (ур1 - у)2 + (2р1 - г)2 +

+ л/(хр2 -х)2 + (у,

р2

/

" У)2 + (гр2 — 2)2 + 2(г ■

(1)

2*1

д:22-2дг2+у22+^з2-1г2 2-У1

V

2-У2'*2

: - 5 - - +У2 + - -

-л/(*Р2 - *)2 + (Ур2 - У)2 + (2! - г)2

(2)

В выражениях (1) и (2) введены следующие обозначения: (х,\ у,\ гД (ад >'э; г2), (хи Уз', 2з), (х4; у4, г4), (хр1\ ур,\ гр1), (хр2\ ур2, гр2) - декартовы координаты точек установки колонн М], М2, М3, М4, Мр, и Мр2 соответственно; (х; у; ¿) и (х; у; г,р) - декартовы координаты точки соединения параллельных звеньев манипулятора и точки подвеса груза. Полученные решения прямой и обратной задач кинематики справедливы при расположении начала отчёта системы координат в основании третьей колонны.

Предположив, что точка соединения параллельных звеньев манипулятора может быть перемещена в любую точку объёма (ограниченного колоннами) при помощи механизма обобщенных координат, то в каждой из этих точек должно выполняться условие баланса сил с учётом следующего физического ограничения:

(Тг > О,

(3)

Т2 > О, Т3>0, \.Т4 > О,

где Т¡, Т2, Т3, Т4 - силы натяжения гибких звеньев, возникающие в результате действия веса груза mg (см. рис.2, а). Условие (3) накладывает физическое ограничение на усилия в гибких звеньях, которые не могут принимать отрицательных значений ввиду невозможности каната толкать какой-либо объект. Следует отметить, что для манипуляторов «чисто» параллельной структуры данное условие выполняется в лю-

бой точке объёма, ограниченного колоннами, а для манипулятора предлагаемой структуры (как будет показано далее) - лишь в некоторой зоне сложной формы.

С использованием известных методов аналитической геометрии и аналитической механики получены кинетостатические уравнения (4) и (5), описывающие полную рабочую зону манипулятора, которая условно разделена на две подзоны (см. рис.2).

__та . tng

7\ • sina1 + Г2 ■ s¡na2 + Г3 • sma3 = тд - — ■ sinapl - — • smap2 Тг ■ eos»! • cos Pi + T2 ■ cosa2 ■ sinp2 - T3 ■ cosa3 ■ sinp3 = ™ ■ cosapl ■ sinppl + ^ • cosap2 ■ sinpv2 , (4) —7j ■ cosa1 ■ sinP-L + T2 ■ cosa2 ■ cosP2 - T3 ■ cosa3 ■ cosP3 = ™ ■ cosapl ■ cosPn - ™ ■ cosap2 ■ cosPp2

m mq mg

T2 ■ sina2 + T3 ■ Sinn, + Tt ■ sma4 = mg- — - sinapl - — ■ sinap2 T2 ■ cosa2 ■ sinp2 - T3 ■ cosa3 ■ slnp3 - Г4 ■ cosa4 • sinft = ^ • cosan ■ sinppl + ™ ■ cosap2 ■ sinpp2 . (5) T2 ■ cosa2 ■ cosp2 - T3 ■ cosa3 ■ cosp3 + Г, ■ cosa„ • cos/!, = ^ • cosapl ■ cosppl - ™ ■ cosap2 ■ cospn

Неизвестными в уравнениях (4), (5) являются усилия звеньев Th Т2, Т3, Т4. Коэффициенты при неизвестных (синусы и косинусы углов) определены методами элементарной геометрии и зависят от положения точки К в пространстве рабочей зоны манипулятора. Слагаемые в правой части уравнений (4), (5) определяют реакцию системы блоков на действие веса груза. Сила натяжения последовательного звена постоянно равна у и не зависит от расположения схвата манипулятора

в объёме рабочей зоны.

Для определения декартовых координат точки соединения параллельных звеньев манипулятора, в которых выполняется условие (3), предложен метод, заключающийся в численном решении систем уравнений (4), (5) в каждой точке объёма, ограниченного колоннами, с последующим исключением тех координат точек, в которых решения уравнений (4), (5) не удовлетворяют условию физического ограничения усилий. Данный метод реализован алгоритмически. Результаты применения разработанного метода показаны на рис. 4, откуда видно, что полученная зона имеет форму воронкообразной поверхности, за границами которой находятся координаты, не доступные для точки К. Координаты, расположенные внутри полученной зоны полностью доступны для позиционирования точки К. Исследования также показали, что размер и форма полученной поверхности не зависит от веса перемещаемого объекта, а определяется исключительно конфигурацией манипулятора.

а) б)

Рис.4. Зона граничных координат точки соединения параллельных звеньев манипулятора: а - для случая равной высоты колонн, б - для случая различной высоты колонн

На основе полученных кинетостатических уравнений проведён сравнительный анализ суммарных усилий в звеньях манипулятора параллельной и параллельно-последовательной структуры (рис.5).

Высота полъема гру*а

Рис.5. Сравнительный анализ суммарных усилий в звеньях манипулятора параллельной (кривая 1) и параллельно-последовательной (кривая 2) структуры

Полученные зависимости показывают, что при высоте подъёма груза, равной 0,75 от максимальной, суммарные усилия звеньев манипулятора предложенной структуры в 1,8 раза меньше суммарных усилий звеньев манипулятора известной параллельной структуры. При снижении высоты подъёма груза до уровня 0,5 суммарные усилия отличаются в 3,46 раза и при высоте 0,3 - более чем в 5 раз.

Как показали исследования, теоретический объём рабочей зоны предлагаемого манипулятора, ограниченный только точками установки вертикальных колонн, отличается от физически достижимого объёма рабочей зоны. Это связано с тем, что усилия в звеньях, возникающие под действием веса перемещаемого груза, всегда ограничены предельно допустимой нагрузкой на материал изготовления каната, обладающего определёнными параметрами. Для оценки степени влияния величины предельно допустимой нагрузки звеньев на объём рабочей зоны манипулятора предложен новый метод. Данный метод заключается в алгоритмическом расчёте предельно достижимых координат точки К, в которых усилие отдельно взятого звена манипулятора не превышает заданного значения. Применение предложенного метода позволило выявить, что введение ограничений по максимальному усилию в звеньях приводит к снижению объёма рабочей зоны манипулятора. Это отражено на рис. 6. Сравнительный анализ полученных результатов показал, что при ограничении усилий в звеньях манипулятора на уровне 2пщ объем рабочей зоны составляет 0,624 ед3, а при ограничении на уровне ¡^ составляет 0,437 ед3, что на 30% меньше, чем в предыдущем случае и на 43,7 % меньше в сравнении с объёмом рабочей зоны манипулятора при отсутствии ограничений.

х: 6.8375 х: 0.085

у: 0.1 у: 0.94

г: 0.825 г: 0.88

х: 0.915 у: 0.94 т. 0.88

0.&5 -0.75 0.65

а) б)

Рис.6. Зона граничных координат точки соединения параллельных звеньев с ограничением величины их предельных усилий: а - на уровне б - на уровне 2mg

В работе показано, что решение задачи планирования траектории перемещения схвата параллельно-последовательного манипулятора возможно одним из двух предложенных методов. Оба разработанных метода реализуют перемещение схвата вдоль заданного отрезка прямой, но имеют различные области применения.

Первый метод планирования траектории предполагает, что система блоков (сочленение параллельных звеньев с последовательным звеном) может перемещаться только в плоскости ХОУ, находящейся на максимально допустимой высоте,

при которой усилия в звеньях не превосходят заданных граничных значений. При этом изменение высоты подвеса схвата осуществляется посредством изменения длины последовательного звена манипулятора. Данный метод планирования целесообразно использовать при сложной сцене обслуживаемой зоны, так как при этом реализуется максимальная манипуляционная способность механизма предложенной структуры.

Второй метод планирования траектории предполагает, что система блоков перемещается по поверхности граничных координат, обеспечивая минимально возможное расстояние между схватом и точкой соединения параллельных звеньев манипулятора. Данный метод целесообразно использовать при манипулировании более тяжёлыми грузами на высоте менее 1/2 от максимальной, так как в данном случае нагрузка на параллельные звенья манипулятора существенно снижается.

В третьей главе проведён сравнительный анализ предложенных методов планирования траектории перемещения нагруженного схвата манипулятора параллельно-последовательной структуры.

Проведённые исследования выявили недостатки первого метода планирования траектории, которые обусловлены характерной особенностью полученной зависимости суммарного усилия в звеньях и объёма рабочей зоны манипулятора от высоты плоскости (рис.7), в которой перемещается система блоков. Из графиков (рис. 7) видно, что расширение рабочей зоны манипулятора достигается увеличением высоты плоскости ХОУ, в которой перемещается система блоков, одновременно это приводит к увеличению суммарного усилия в параллельных звеньях, что приводит к повышению энергоёмкости процесса манипулирования грузами.

а) б)

Рис.7. Полученные зависимости: а - суммарного усилия в параллельных звеньях от высоты плоскости ХОУ, б - объема зоны обслуживания от высоты плоскости ХОУ

Для сравнительного анализа предложенных методов планирования получены графики (рис.8), отражающие зависимость суммарного усилия в звеньях манипулятора от ведущей координаты хк при линейной интерполяции отрезка прямой, заданного двумя точками 5/(0,1; 0,9; 0,5) и 52(0,9; 0,1; 0,9).

а) б)

Рис.В. Зависимость суммарного усилия в звеньях манипулятора от ведущей координаты: а - при использовании метода планирования, при котором система блоков перемещается в плоскости ХОУ\ б - при использовании метода планирования, реализующего перемещение системы блоков по поверхности ее граничных координат

Анализ полученных зависимостей (рис.8) показал, что при использовании второго метода планирования (в сравнении с первым) суммарная нагрузка звеньев снижается в среднем в 2,5 раза при интерполяции одного и того же отрезка прямой. Это свидетельствует о повышении энергоэффективности процесса манипулирования грузами в случае его применения.

Оценка динамических параметров манипулятора проведена с использованием Мш1аЪ 5/тиНпк на основе компьютерной модели, структурная схема которой представлена на рис.9.

Рис.8. Структурная схема динамической модели манипулятора

На схеме введены следующие обозначения: ЗП - блок задания координат положения точки, в которую осуществляется позиционирование; БЗС - блок задания скорости; ЭПЗ - блок электроприводов звеньев; НД - блок задания начальных длин звеньев; £ ~ сумматор; ПК - блок преобразования обобщенных координат в декартовы; ДМДГ - динамическая модель движения груза; х„ у3, - заданные координаты схвата; Ця - вектор напряжения на якорях электроприводов звеньев; ДЕ — вектор текущих приращений обобщенных координат; Д1н - вектор начальных значений обобщенных координат; Д1и - вектор истинных обобщенных координат; хь уь г, - истинные декартовы координаты схвата; Мг - вектор моментов, приложенных к валам электроприводов; Р - вектор сил натяжения звеньев

манипулятора; l(t) - функция изменения расстояния от системы блоков до центра масс груза.

В результате компьютерного моделирования оценены различные динамические параметры перемещения нагруженного схвата манипулятора, в том числе влияние ускорения на усилия в звеньях при динамическом разгоне до заданной скорости, равномерном движении схвата, торможении и успокоении (рис. 9).

Scope

Рис.9. Изменение усилия в звене параллельно-последовательного манипулятора на этапах динамического ускорения, равномерного движения, торможения и успокоения

Характер полученной зависимости показывает, что на этапах динамического разгона, торможения и успокоения возникают затухающие по амплитуде колебания, частота и амплитуда которых зависит как от высоты подвеса схвата относительно точки соединения параллельных звеньев манипулятора гибридной структуры, так и от величины ускорения нагруженного схвата.

В четвертой главе предложены варианты практического исполнения механических, электронных и микропроцессорных модулей опытного макета параллельно-последовательного манипулятора. Отдельные механические элементы его конструкции представлены на рис.10.

Основой разработанной конструкции опытного макета манипулятора является прямоугольный параллелепипед, длиной 2500 мм, шириной 1300 мм и высотой 2200 мм, выполненный из общестроительного стального профиля прямоугольного сечения (рис.10, а). В верхних углах параллелепипеда закреплены системы подвеса гибких звеньев (рис.10, в). Здесь же установлен тензометрический датчик вертикального усилия соответствующего звена. В основании вертикальных рёбер созданной конструкции установлены электроприводы постоянного тока с редуктором планетарного типа и барабаном, предназначенным для намотки канатов. Система сочленения параллельных звеньев с последовательным звеном показана на рис.10, б. Дополнительный груз, закреплённый вблизи точки соединения параллельных звеньев, обеспечивает минимальное их натяжение в том случае, когда схват манипулятора не нагружен.

a)

в)

Рис.10. Конструктивное исполнение опытного макета параллельно-последовательного манипулятора: а - общий вид; б - сочленение звеньев; в - система подвеса гибких звеньев с тензометрическим датчиком

Для управления манипулятором предложена распределенная мультипроцессорная система управления, функциональная схема которой представлена на рис. 11. В иерархичной структуре системы управления выделяется три подсистемы: подсистема взаимодействия с оператором, подсистема планирования траектории, исполнительная подсистема. Подсистема взаимодействия с оператором состоит из управляющего персонального компьютера (ПК) и информационного ПК, находящихся под управлением операционной системы Windows ХР. Для управляющего ПК с использованием среды Borland С++ Builder разработана и испытана информационно управляющая оболочка, реализующая три режима управления манипулятором.

Основной задачей, возлагаемой на подсистему планирования траектории, является формирование управляющих воздействий для исполнительной подсистемы, а также организация цифрового канала обратной связи для контроля параметров работы манипулятора в режиме реального масштаба времени. Для подсистемы планирования траектории предложено два варианта реализации:

• на базе высокопроизводительного микроконтроллера (например, ARM с ядром Cortex Mi)',

• на базе микроконтроллера и ПЛИС.

Управляющий Информационный

Исполнительная V У

подсистема__

Рис. 11. Функциональная схема распределенной системы управления

манипулятором

В работе предпочтение было отдано второму варианту реализации, так как он позволяет решить задачу распараллеливания информационных и управляющих потоков данных с минимальным участием микроконтроллера. Это в конечном итоге позволило сократить время опроса звеньев исполнительной подсистемы в 5 раз.

Каждое звено исполнительной подсистемы представляется в виде функциональной схемы с САР положения, представленной на рис. 12.

Рис.12. Функциональная схема САР положения звена манипулятора

17

На рис. 12 введены следующие обозначения: КУ - контроллер управления; ШИП - широтно-импульсный преобразователь; МР - мотор-редуктор; ДТ - датчик тока; ДП - датчик положения; 777 - тензометрический преобразователь; ДУ -датчик усилия; ¿' — барабан.

В соответствии с предложенной функциональной схемой (рис.12) разработана структура математической модели САР положения с введённой параметрической обратной связью по усилию звена манипулятора, представленная на рис. 13.

Fh

Рис.13. Структурная схема САР положения с двухконтурной параметрической обратной связью по усилию звена

Необходимость введения двухконтурной параметрической обратной связи по усилию звена объясняется особенностью расположения датчика углового положения, имеющего непосредственный контакт с канатом, что в случае ослабления натяжения звена может привести к проскальзыванию шкива датчика. Выбор коэффициентов и запасы устойчивости определены методом моделирования САР в среде Matlab Simulink.

Проведённые экспериментальные исследования опытного макета представлены на рис.14. Экспериментальные графики получены при перемещении груза весом 5 кг на высоте 0,5 от максимальной вдоль заданного отрезка прямолинейной траектории, проходящей через центр зоны обслуживания для двух вариантов его закрепления. Путём математической обработки экспериментальных данных, состоящей в суммировании значений усилий звеньев манипулятора на каждом временном отчете с последующей фильтрацией средствами Microsoft Excel, получена зависимость суммарного усилия в звеньях для двух вариантов закрепления груза (рис. 15).

»ЩЩШЩЁЕ

Рис. 15. Временные зависимости суммарного усилия в звеньях при закреплении груза: в точке соединения параллельных звеньев (синяя кривая); при закреплении на блоке последовательного звена (красная кривая)

Полученные зависимости показывают, что в случае закрепления груза на блоке последовательного звена манипулятора суммарное усилие в среднем снижается в 3,36 раза, что свидетельствует о существенном снижение энергоёмкости в процессе манипулирования грузами. Полученные результаты экспериментальных данных достаточно хорошо коррелируются с результатами компьютерного моделирования, один из которых представлен на рис. 5.

б)

Рис.14. Экспериментальная зависимость усилий в звеньях манипулятора: а - при закреплении груза в точке соединения параллельных звеньев, б - при закреплении груза на блоке последовательного звена

5000 10000 15000 20000

Вргмя. 1 глпншг.1 - 1 мс

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По итогам проведения исследований получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1.На основе проведённого анализа обоснована целесообразность разработки манипуляторов параллельно-последовательной кинематической структуры и сформулированы обобщенные требования к их применению.

2. Показано, что традиционная методика разработки алгоритма планирования траектории перемещения схвата параллельно-последовательного манипулятора не может быть использована в полной мере, в связи с чем предложен метод определения граничных координат точки соединения параллельных звеньев манипулятора предлагаемого типа в пространстве его рабочей зоны.

3. Разработана математическая модель манипулятора параллельно-последовательной структуры с избыточностью, описывающая его кинематику с использованием уравнений кинетостатики, что позволило математически описать полную зону обслуживания, ограниченную лишь конструктивными параметрами манипулятора.

4. Разработан метод исследования объёма рабочей зоны манипулятора, зависящий от величины предельных усилий в его звеньях, что позволяет сформулировать рекомендации по определению размера рабочей зоны по предельной заданной силе натяжения звена манипулятора.

5. Предложены два метода планирования траектории перемещения схвата манипулятора, приведена оценка их эффективности и области использования. Проведённый сравнительный анализ показал, что один из методов планирования целесообразно использовать при сложной сцене обслуживаемой зоны, а другой - выгодно использовать в связи с более низкими энергозатратами по сравнению с первым при допустимых ограничениях зоны обслуживания.

6. Рассмотрен пример решения задачи динамики, позволяющий провести оценку влияния динамических характеристик на элементы конструкции и положение нагруженного схвата в пространстве. В работе показано, что электромеханическая система устойчива во всех режимах движения. Характер переходного процесса при разгоне и торможении колебательный.

7. Разработаны принципы построения автоматизированной системы управления, реализуемой на доступной современной элементной базе.

8. Исследования, проведённые на опытном макете параллельно-последовательного манипулятора, показали достаточную сходимость математических моделей кинематики, статики и динамики с результатами, полученными в ходе эксперимента. Получено опытное подтверждение полной работоспособности двух предложенных алгоритмов планирования траектории схвата.

9. Экспериментально подтверждено, что суммарная сила натяжения звеньев параллельно-последовательного манипулятора при перемещении груза на высоте 0,5 от максимальной в 3,36 раза ниже суммарной силы натяжения звеньев аналогичного манипулятора, в котором используется параллельное соединение гибких звеньев.

Основные научные результаты диссертации отражены:

- в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Толстунов О.Г. Исследование и анализ характеристик параллельных манипуляторов с гибкими связями / Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №4; URL: http://www. science-education.ru/104-6868;

2. Толстунов О.Г. Исследование ошибки линейной интерполяции пространственного манипулятора с гибкими нитями / Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Зеленский А.А., Вестник МГТУ Станкин, №2 (20), - М.: 2012 г., - С.148-154;

3. Толстунов О.Г. Способ исследования ошибки интерполяции линейной траектории перемещения рабочего инструмента пространственного манипулятора / Толстунов О.Г., Зеленский А.А., Дягилев А.А., Ульянов М.В., Харлашин А.В., Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №6; URL: http://www. science-education. ru/106-7817.

- в патентах РФ:

4. Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Зеленский А.В., Наумов И.И. Устройство перемещения грузов / Патент №2372274 Российская Федерация, МПК В66С21/00, заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». -№ 2008110304/11; заявл. 17.03.2008; опубл. 10.11.2009, Бюл. №4. -6с.: ил;

5. Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Кравченко П.Д., Яблоновский И.М. Система управления перегрузочной машиной с гибким подвесом объектов в ядерном реакторе типа ВВЭР / Патент №2397556 Российская Федерация, МПК G21C19/10, заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2009102240/06; заявл. 23.01.2009; опубл. 20.08.2010, Бюл. №4. - Юс.: ил;

6. Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Алепко А.В. 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;

7. Толстунов О.Г., Марчук В.И., Шерстобитов А.И., Воронин В.В., Семенищев Е.А., Дубовсков В.В., Калинина С.А. Последовательно- параллельное устройство обработки сигналов / Патент №2321053 Российская Федерация, МПК G06F17/18, заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 20070212; заявл. 12.02.2007; опубл. 27.03.2008, Бюл. №4.-12с.: ил;

- в свидетельствах об официальной регистрации программы для ЭВМ:

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

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

Ю.Толстунов О.Г., Валюкевич Ю.А., Алепко A.B. Способ расчета сил натяжения гибких нитей последовательно-параллельного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ: РОСПАТЕНТ, 2013 №2013614433.

Научные результаты диссертации отражены также в других научных

изданиях:

11.Толстунов О.Г. Неортогональный подъемный механизм в двухмерном пространстве / О.Г. Толстунов, A.A. Зеленский // Современные проблемы машиностроения информационных технологий и радиоэлектроники. - Шахты: ЮРГУЭС, 2008. - С. 48-50;

12.Толстунов О.Г. Устройство перемещения грузов / О.Г. Толстунов, A.A. Зеленский, И.И. Наумов, A.B. Алепко // Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии». - Шахты: ЮРГУЭС. - 2009. - С. 36-39;

13.Толстунов О.Г. Пространственный манипулятор с гибким подвесом объекта перемещения / О.Г. Толстунов // Сборник трудов IV Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО - 2009. - С. 247-253;

14.Толстунов О.Г. Пространственный манипулятор на основе гибких механических связей / О.Г. Толстунов, Ю.А. Валюкевич // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ - 2009)». - Таганрог: ТТИ ЮФУ. - 2009. - С. 314-316;

15.Толстунов О.Г., Моделирование кинематики тросового грузоподъемного механизма в среде MATLAB / О.Г. Толстунов, Ю.А. Валюкевич // Информационные системы и технологии. Теория и практика. - Шахты: ГОУ ВПО ЮРГУЭС. - 2009. - С. 122-127;

16. Мехатронные системы для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента (монография) / Валюкевич Ю.А., Толстунов О.Г., Наумов И.И., Алепко A.B., - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС. - 2009. - 78 с;

17.Толстунов О.Г. Исследование величины зоны обслуживания пространственного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения с учетом ограничения прочности элементов его конструкции / О.Г. Толстунов, Ю.А. Валюкевич, В.П. Федосов // Материалы 7-ой научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление». - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. - С. 388-391;

18.Толстунов О.Г. Моделирование пространственного манипулятора с гибким подвесом объекта перемещения в среде MATLAB / О.Г. Толстунов // Сборник научных трудов «Информационные системы и технологии. Теория и практика». - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС, 2011. - С. 168-177;

19.Толстунов О.Г. Исследование статистических характеристик ошибки интерполяции траекторий перемещения груза пространственного манипулятора с гибкими нитями / О.Г. Толстунов, Ю.А. Валюкевич // Сборник трудов XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2011): ИМАШ РАН. - 2011. - С. 138.

Толстунов Олег Глебович

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО МАНИПУЛЯТОРА С ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ

Автореферат

Подписано в печать 13.02.2015. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ № 46-0209.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ni