автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка методов расчёта манипулятора - трипода на поворотном основании

На правах рукописи

Дяшкин-Титов Виктор Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА МАНИПУЛЯТОРА -ТРИПОДА НА ПОВОРОТНОМ ОСНОВАНИИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2014 24 АПР 2014

005547508

005547508

На правах рукописи

Дяшкин-Титов Виктор Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА МАНИПУЛЯТОРА -ТРИПОДА НА ПОВОРОТНОМ ОСНОВАНИИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2014

Работа выполнена на кафедре «Механика» в ФГБОУ ВПО «Волго' градский государственный аграрный университет».

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, доцент

Жога Виктор Викторович.

Официальные оппоненты:

Глазунов Виктор Аркадьевич доктор технических наук, профессор, Институт машиноведения им. А.А. Бла-гонравова РАН, лаборатория «Теория механизмов и структуры машин», заведующий.

Ведущая организация:

Попов Андрей Васильевич кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Детали машин и подъемно-транспортные устройства», доцент.

ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится «29» мая 2014 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.028.06, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан «_» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время, мобильные роботы лёгкого класса, оснащённые манипуляторами, могут применяться для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. С их помощью производят погрузочно-разгрузочные работы, работы по расчистке завалов и разборке аварийных конструкций, разминированию. В агропромышленном производстве наиболее трудоёмкими являются погрузочно-разгрузочные работы с пакетированными грузами.

В зависимости от области использования определяются основные функциональные показатели манипуляторов, к которым относятся грузоподъемность, мобильность, рабочая зона, погрешность позиционирования. Обычно на роботе устанавливаются традиционные манипуляторы, представляющие собой цепь звеньев механической системы, последовательно соединённых друг с другом с помощью различных кинематических пар. Такие манипуляторы имеют низкий показатель грузоподъёмности, характеризуются высокими статическими и динамическими ошибками.

Одним из способов преодоления указанных недостатков является использование в качестве звеньев манипулятора механизмов параллельной структуры. Применение в мобильных робототехнических комплексах манипуляторов параллельной структуры позволяет снизить металлоемкость, повысить жесткость, обеспечить достаточно высокие динамические характеристики и упростить исполнительную часть манипулятора. К недостаткам механизмов параллельной структуры относятся ограниченность рабочей зоны, относительно небольшая манипулятивность, сложность системы управления, что препятствует широкому применению таких манипуляторов.

В связи с этим актуальность приобретает задача выбора рациональных геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов с механизмами параллельной структуры, устанавливаемых на мобильном роботе.

Объект исследования. Объектом диссертационного исследования является трёхстепенной манипулятор с пространственным исполнительным механизмом параллельной структуры, установленный на поворотном основании.

Цель и основные задачи. Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования манипулятора — трипода на поворотном основании путем совершенствования алгоритмов управления приводными звеньями, а также разработки математических и физических моделей.

Для достижения поставленной цели рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Проведение структурного анализа механизмов манипулятора -трипода, установленного на поворотном основании с четырьмя линейными приводными звеньями.

2. Разработка метода расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания манипулятора с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.

3. Определение конфигурации и значений параметров зоны обслуживания при разном размещении установочных узлов исполнительных звеньев на поворотном основании и с ограничениями на величину хода приводов.

4. Исследование распределений нагрузок на звенья механизмов манипулятора — трипода на поворотном основании для статических режимов его функционирования.

5. Позиционирование схвата, обеспечиваемое геометрией манипулятора, выбора траектории схвата в пространстве, ограниченном рабочей зоной и определение закона движения схвата по полученной траектории.

6. Проведение численных экспериментов и моделирования на макете манипулятора с целью проверки эффективности разработанных алгоритмов управления приводными звеньями.

Методы исследования. Геометрические, кинематические и силовые характеристики манипулятора исследовались с использованием методов теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач на ЭВМ использовались стандартные численные методы, при составлении программ использован пакет математических вычислений «МаЛСай». Моделирование на макете манипулятора разработанных алгоритмов управления приводными звеньями реализовано на языке программирования С#.

Научная новизна. Определены структурные схемы манипулятора -трипода для двух типов шарнирного узла, соединяющего звенья переменной длины из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.

Разработан метод расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания с ограничениями, накладываемыми размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор.

Получен алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания в зависимости от геометрических параметров поворотного основания с ограничениями на величину хода исполнительных приводов.

Сформирован алгоритм построения нагрузочной геометрико - статической характеристики манипулятора - трипода с поворотным основанием по заданным сечениям зоны обслуживания.

Решена оптимизационная задача с ограничениями типа равенства и неравенств, минимизирующая изменения длин приводных звеньев манипулятора, при позиционировании схвата в заданную точку рабочей зоны.

Положения выносимые на защиту.

1. Результаты структурного анализа манипулятора - трипода из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.

2. Метод расчёта геометрических параметров приводных звеньев и поворотного основания с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.

3. Алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания.

4. Алгоритм построения нагрузочной геометрико - статической характеристики манипулятора — трипода с поворотным основанием.

5. Решение оптимизационной задачи позиционирования схвата манипулятора.

Практическая значимость результатов исследования. Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, полученных в результате решения поставленных задач, разработана конструкция и изготовлен робототехнический комплекс РШ - 7 (Патент №2476372 РФ, МПК7 В66С23/36). Манипулятор - трипод с четырьмя линейными приводными звеньями установлен на роботе повышенной профильной проходимости с шагающими движителями.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует Паспорту специальностей научных работников по шифру 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин: п. 2 "Теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин".

Апробация работы. Для выяснения степени новизны и оригинальности методов и подходов, использованных в ходе выполнения исследования, результаты исследований обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях:

- Международная научно-практическая конференция "Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве - залог успешного развития АПК", г.Волгоград 25-27 января 2011г.

- V Международная научно-практическая конференция молодых исследователей, г.Волгоград, 11-13 мая 2011г.

- 4-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 3-8 октября 2011г.

- Международная научно-практическая конференция. Экстремальная робототехника, г.Санкт-Петербург, 2011г.

- Международная научно-практическая конференция, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г.

- XXV Международная научная конференция ММТТ-25, г.Волгоград, 28 -31 мая 2012г.

- Современное машиностроение. Наука и образование. 2-ая Международная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург, 2012г.

- 5-я Российская мультиконференция по проблемам управления. «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах (УТЭОСС-2012)», г.Санкт-Петербург, 9-11 октября 2012 г.

- Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства — стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», г.Волгоград, 30 января -1 февраля 2013г.

- Современное машиностроение. Наука и образование: 3-я Международная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург 20-21 июня 2013г.

- Международная конференция "Прогресс транспортных средств и систем - 2013", г.Волгоград, 24 - 26 сентября 2013 г.

- 6-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 30 сентября - 5 октября 2013 г.

Экспериментальный макет манипулятора-трипода демонстрировался на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи 2629 июня 2012 года (г. Москва).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, из них 3 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, получены 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Диссертация содержит 148 листов машинописного текста. Список литературы содержит 145 наименования, представлен на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, даётся её краткая характеристика, определен объект исследования. Отмечен вклад в исследования кинематики и динамики механизмов параллельной структуры отечественных и иностранных учёных: И. И. Артоболевского, А.Ф. Верещагина, А.Н. Волкова, В.М. Герасуна, В.А. Глазунова, Ф.М. Ди-ментберга, У.А. Джолдасбекова, В.В. Жоги, СЛ. Зенкевича, А.Н. Евграфова, А.Ш. Колискора, А.Е. Кобринского, М.З. Коловского, А.И. Корендясе-ва, А.Ф. Крайнева, Н.И. Левитского, Е.П. Попова, В.И. Пындака, Б.Л. Саламандры, A.B. Сергеева, Л.И. Тывеса, Е.И. Юревича, М. Вукобратовича,

Ю.Л. Саркисяна, Д. Стюарта, К. Ханта, В. Гауфа, Р.И. Ализаде, М. Моха-меда, Д. Даффи, К. Сугимото и др.

Приводятся сведения об апробации, отмечена научная новизна и практическая значимость. Представлена структура диссертации.

В первой главе проведён анализ литературы по вопросам синтеза и анализа механизмов с пространственными исполнительными механизмами параллельной структуры. Указаны их достоинства и недостатки в сравнении с традиционными манипуляторами, представляющими собой цепь звеньев механической системы, последовательно соединённых друг с другом с помощью различных кинематических пар. Рассмотрены технические задачи, стоящие перед мобильными роботами лёгкого класса с манипуляторами. Особенности их применения при выполнении специальных технологических операций и в различных отраслях промышленности.

Описывается конструкция манипулятора параллельной структуры с подвижным основанием, установленного на шасси трактора Т-16М. Основу манипулятора - трипода составляет пространственный приводной трёх-стержневой механизм в виде треугольной пирамиды с гидроцилиндрами в качестве ведущих звеньев. Корпуса гидроцилиндров закреплены на основании с помощью шарниров с двумя степенями подвижности. Противоположные концы цилиндров соединены между собой посредством пятипод-вижного сферического шарнирного узла, обеспечивающим пересечение геометрических осей этих цилиндров в одной точке, что исключает появление изгибающих моментов от внешних нагрузок. Применение гидропривода требует дополнительное оборудование - масляные баки и насосы, иногда аккумуляторы, системы фильтрации масла, распределители, трубки или шланги для подачи гидравлической жидкости и возврата обратно в бак, дроссели, клапаны. В настоящее время разработаны современные электропривода постоянного тока на базе высокоскоростных двигателей, удельная мощность которых приближена к удельной мощности гидродвигателей. Для электромеханических систем управление усилием и задачи позиционирования решаются достаточно просто, так как требуются стандартные сервоусилители. Поэтому применение электроцилиндров (актуа-торов) в качестве исполнительных и несущих звеньев является актуальным. В связи с этим задача выбора рациональных геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов - триподов, устанавливаемых на мобильном роботе является актуальной.

Альтернативой пятиподвижному сферическому шарниру является четырёхподвижный шарнирный узел с кинематическими парами V класса, который более технологичен в изготовлении, но в манипуляторах - трипо-дах до настоящего времени не применялся. Поэтому актуальна задача структурно-геометрического анализа манипулятора - трипода с четырёх-подвижным шарнирным узлом.

Во второй главе проведён структурный анализ манипулятора - три-пода из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей. Степень подвижности манипулятора

Ж = (1)

/=1

где /л - количество степеней свободы пространства, в пределах которого работает механизм (]л=6 - для пространственного движения); п - число подвижных звеньев механизма; р: - число кинематических пар механизма / класса. Для пространственных механизмов число внутренних входов пц равно числу степеней подвижности Ж, от которых зависит максимальное число управляющих воздействий на манипулятор. Это равенство является условием нормальности механизма. На рис. 1 представлена структурная схема манипулятора, в котором оси приводных звеньев линейного перемещения геометрически сходятся в одной точке посредством сферического пятиподвижного шарнирного узла. Если считать звенья исполнительных цилиндров с кинематическими парами 2-3, 5-6 и 8-9 V класса, то в точках их крепления А, В, С необходимо установить двухподвижные шарнирные узлы. Тогда при п=\\,р;=\2,р/=0 ирз~\, число степеней подвижности манипулятора равно 3. Применение в качестве приводных звеньев цилиндров с кинематическими звеньями V класса исключает наматывание энергопод-водящих проводов.

Рисунок 1. Схема манипулятора - трипода Рисунок 2. Схема манипулятора - трипода с пятиподвижным сферическим с четырёхподвижным шарнирным узлом

шарниром

Структурная схема манипулятора, в котором оси исполнительных цилиндров линейного перемещения геометрически сходятся в одной точке посредством четырёхподвижного шарнирного узла представлена на рис. 2. Если считать звенья исполнительных цилиндров с кинематическими пара-

ми 2-3-, 5-6 и 8-9 V класса, то в точках их крепления В и С необходимо установить трёхподвижные шарнирные узлы. Тогда при «=13, р5-15, рг-О и р3 =о, число степеней подвижности манипулятора равно 3, что указывает

на нормальность механизма

Разработан метод расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания манипулятора из условия реализации требуемого движения, в частности, необходимой зоны действия и геометрических параметров мобильной платформы. За основные геометрические ограничения при синтезе манипулятора на основе пространственного

механизма приняты: 0

- угол сектора зоны действия в горизонтальной плоскости ©>90 ;

- сторона основания пирамиды, образованная исполнительными механизмами манипулятора ограничивается габаритами платформы а< [а];

- нижняя точка зоны действия схвата относительно поверхности гМтш<И;

- максимальный вылет схвата от передней кромки робота 1тю>Ш;

- коэффициент запаса собственной устойчивости Ку=Мо/Мв< [^у] -1,15.

Получены расчётные зависимости угла сектора зоны действия манипулятора в горизонтальной плоскости 0, от угла давления и между осью актуатора и вектором скорости точки приложения силы (рис. 3), допустимых значений размеров основания (рис. 4) и других геометрических параметров манипулятора.

1

ЛЬО 500 ио

Рисунок 4. Область допустимых значений длины основания пирамиды а от длины цилиндров Ь2, ¿з

При построении зоны обслуживания манипулятора за обобщенные координаты выбирались длины звеньев манипулятора Ь2, Ьъ и угол <р (угол наклона поворотного основания манипулятора - трипода, зависящии от длины звена ¿4, рис. 5). При анализе зоны обслуживания манипулятора требуется предварительное исследование особых положений, при которых резко возрастают функции аналога скоростей и ускорений исполнительного устройства при одновременном увеличении нагрузок на конструктивные элементы, что приводит к переходу механизма в мертвое положение.

о к, 20 10 « 50 60 70 «0

Рисунок 3. Зависимость угла сектора зоны действия © от угла поворота а актуаторов Ь2, ¿з при различных предельных углах давления [и]

-»-М-йо -»-№35 -4-М-З0 -•-М-«

позволяют определять положение схвата относительно поворотного основания и робота, на котором расположен манипулятор, а также сформулировать условия, исключающие неоднозначность положения или попадания его в мертвое положение. Траектории точек перемещения схвата образуют шесть сферических поверхностей, пересечение которых характеризуют его крайние положения (рис. 6).

сят от положения грузозахватного устройства (т. М). Определяются они из условия его равновесия, под действием пространственной системы сходящихся сил реакций N¡,N¿,N3 звеньев манипулятора и усилия, приложенного к схвату в. Усилие в звене Ц определяется из условия равновесия точки А.

Уравнения равновесия точки М, полученные из принципа возможных перемещений в проекциях на оси неподвижной системы координат имеют вид:

N,

. т X ,. X — Xо .. X ч~ Xa _

N,—+N,-S-+ÍV,-- = 0,

Ц Lj L¡

„Т+ЪА^-Ъ Г^ Т^

Ц 1 L2 3 ¿3

N¡ ^ ^^ COS(^ + N2 — + N3 — -G = 0, (T-yB)-cosff>-bZ-sinff Z¿, • sin YB • cosff

----4- Пл. ————— _ —

(2)

Для каждой точки М, (У/, Д) зоны обслуживания манипулятора определялись усилия в звеньях манипулятора.

На рис. 7 представлен пример изменения усилий в звеньях манипулятора.

Рисунок 7. Изменение усилий в звеньях манипулятора при изменении длины звена Атш ^ Апт при =

Проведенные расчеты показали, что наиболее нагруженными звеньями механизма манипулятора являются звенья L\ и ¿4.

В третьей главе решается задача перемещения схвата манипулятора, состоящая из трёх этапов — позиционирование схвата, обеспечиваемое геометрией механизма, выбора его траектории в пространстве, ограниченном рабочей зоной и определение закона движения по полученной траектории.

На рис. 5 показана схема рассматриваемого манипулятора и связанная с ним система координат. Конфигурацию исполнительного механизма характеризуют две пирамиды МАВС и DABC, имеющие общее основание. Вводится две системы координат: неподвижная система координат OXYZ связана осью основания пирамиды ВС\ подвижная система OX¡YiZt связана с плоскостью ABC, вращающейся относительно шарниров б и С.

В качестве обобщенных координат манипулятора выбраны длины звеньев LUL2, L-¡, L4.

Координаты центра схвата М в декартовой системе неподвижных координат ОХУ2 и длины звеньев манипулятора, связаны уравнениями

х2мНУм-гл)2+^м-гл)2 = ^, (хм -Хв)2+(ГМ -¥в)2+г2м =

(,хм-хс)2НУм-гс)г+г2м=12, =

где Хм, Ум, 2М - координаты точки М в неподвижной системе координат;

Хв=-Хс, 2А УВ=УС, 20 - координаты точек крепления звеньев манипулятора.

Позиционирование схвата манипулятора при выполнении технологических операций состоит в перемещении его из начального состояния, которое определяется координатами точки М0(ХМ0, 2Ш) в конечное положение Мк(Хш, Умк, 2мк). Причём, при известной начальной конфигурации манипулятора, определяемой обобщёнными координатами До,требуется найти конечную конфигурацию, т.е. значения обобщённых координат Ь,к. Так как число обобщенных координат манипулятора, равное четырём, превышает число обобщенных координат объекта, равное трём, то есть манипулятор обладает ненулевой маневренностью, то заданному конечному положению объекта соответствует множество конфигураций

Длины звеньев Ь2ь Ьзк определяются однозначно из выражений (3), а длины звеньев Ь,к(УА, 2а), Ь4к(УА, находятся из условия минимума квадратичной функции

Ф(¥л,2л) = С1(Цк - Д0)2 +С4(14, -¿40)2, (4)

с ограничением в виде уравнения связи

Д¥А,гА) = 22+(¥в-¥А)2-01А2 = О, (5)

и неравенств< < !Лтах^4тт <Ь4< 14шах.

Линиями уровня функции (4) является эллипс, причём Ф возрастает с увеличением размеров эллипса. Геометрическая интерпретация уравнений (4) и (5) приведена на рис. 9: уравнение (5) задаёт окружность, при

этом минимальное значение Ф достигается на эллипсе, который касается указанной окружности.

4

Рисунок 9. Графики функций Ф,/ В качестве весовых коэффициентов С/ приняты значения отношений усилий в / звене переменной длины к вертикальной нагрузки, приложенной к точке М. Из всех звеньев, наиболее нагруженными являются ¿/и значения весовых коэффициентов С,, С4 принимаются тем больше, чем больше диапазон изменения усилий в соответствующих звеньях манипулятора.

В соответствии с теоремой Куна-Такера, для задач нелинейного программирования, целевая функция имеет вид

Ф- = С,(Цк -1,0)2 + С4{1лк -140)2 + Л, • ДУА,2Л) + А,(УА1Ш„ -УА) + Л,(УА -УАтах), ^„-1^0, Гл-ГАж£0, (6)

где \ - неопределенные множители Лагранжа.

Достижение оптимального решения обеспечивается необходимыми условиями стационарности функции (6) Ф*, и формулируются в виде

дФ' „ а(А;--Ао)2 , с ^--¿4о)2 , , тм

дг.

-=с,

дУ,

дУл

дУ.

-/^-Я, =0,

ЭФ с а(А; -Ао)2 |С

-¿40>2 _ ,

Здесь

дгА

> 0, если

аг„

У А = ^Лтт> ^ У А тт'

-+Л,-

Лз

дгл

> 0, если

= 0.

(7)

К = У

* Л * л тах' < тах'

[=0, если 1 = 0, если

Подставляя выражения Ц, А, из уравнений (3) в уравнения (4) и решая их совместно с уравнением (5) находим значения УА,2А,Хк, а следовательно и Ак (УЛ, ЪА), £4к , г^).

Разработаны методы расчёта программного перемещения рабочего органа манипулятора - трипода из начального положения в конечное при движении по заранее неопределенной траектории для синусоидального закона изменения ускорения штоков исполнительных звеньев и по прямой.

L,(t) = L,0 + (Lll¡-L,0)-

(8)

Так, задавая закон движения звеньев от Li0 до L¡k за время Т исходя из условия «мягкого» трогания и касания, заключающегося в выполнении условий равенства нулю скоростей и ускорения схвата в начальном и конечном положениях

" i 1 . (Ikí'"

---sin —

Т 2ж { Т

параметрические уравнения траектории схвата определяем из решения обратной задачи кинематики.

Оптимальная по времени перемещения схвата манипулятора траектория, это прямая. Однако такое перемещение возможно в том случае, когда все точки отрезка МоМк принадлежат выпуклому множеству, являющемуся частью зоны обслуживания. Из уравнения прямой в пространстве, проходящей через две точки Мо и Мк определяются зависимости координат Хм, Ум ZM от длины траектории. Закон движения по прямой М0Мк также принимаем, удовлетворяющим требованиям «мягкого» касания. Таким образом, из уравнений (3) находятся законы изменения длин звеньев L{t) без решения обратной задачи кинематики.

В четвертой главе описывается конструкция макета манипулятора -трипода с электрическими цилиндрами (рис. 10).

Рисунок 10. Макет манипулятора-трипода с актуаторами ИгдеШ 1Л6 1 - четырехподвижный шарнир, 2 - актуаторы И^еШ Ь16, 3 - поворотное основание, 4 -платформа, 5 - радиомодуль Ув-] ЮОи, 6 - контроллер 8ТМ 32УЪ015соуегу

Для реализации законов программного движения робота строится система управления с обратной связью по положению, решающая задачу контурного управления. Система управления движением с ШИМ - управлением приводами электродвигателями постоянного тока. Основным структурным компонентом системы управления является БУП (блок управления приводами) - модуль контроллеров и усилителей мощности (ключей). БУП полностью управляет системой, имеющей 4 управляемых степеней подвижности, с аналоговой обратной связью. Система управления состоит из одного БУП с возможностью управления по 118-232-

интерфейсу от удаленного компьютера. Система дистанционного управления движением реализуется на базе персонального компьютера. Его задача состоит в расчете в реальном масштабе времени координированного движения всех приводов по заданной математической модели, выдаче управляющих команд на БУП и обработке данных обратной связи. В рамках внедрения разработанных алгоритмов создана программа - супервизор, имеющая в своем составе подключаемый компонент коммуникации с микроконтроллером системы позиционирования.

Проведено экспериментальное определение перемещения точки схва-та манипулятора по заданным законам движения. На рис. 11-14 представлены результаты решения задачи позиционирования схвата манипулятора.

£

>4

г

|/2

7—Ь ______

4' /

х4

0 12 1*»»' , „ 1,С с

Рисунок 11. Расчетные (кривые 1-4) и экспериментальные (кривые Г-4') зависимости изменения длин звеньев 1 ч-4 манипулятора от времени при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев

г ' •4

- / ,2'

4' 2

7,с

1,с

Рисунок 12. Расчетные (кривые 1-4) и экспериментальные (кривые Г-4') зависимости изменения длин звеньев 1 -¡-4 манипулятора от времени при движении схвата по прямой

Сравнительный анализ перемещения схвата манипулятора при движении по заранее неопределенной траектории по синусоидальному закону изменения ускорений штоков исполнительных звеньев и прямолинейной траектории (рис. 13) показал, что если расстояние между точками позиционирования менее 200 мм, то увеличение длины траектории (Д5) меньше 1 %, а максимальное отклонения (Итах) схвата манипулятора от прямо-

линейной траектории менее 5%, а если расстояние между точками позиционирования более 200 мм, тогда увеличение длины траектории (Д5) не превышает 6%, а максимальное отклонения (кта1) схвата манипулятора от прямолинейной траектории менее 15%. При этом, отношение максимальных значений ускорений схвата Датса при движении по прямой и по заранее неопределенной траектории для синусоидального закона изменения ускорения штоков исполнительных звеньев не превышает 4%.

%

Д а

шах1

ДБ

А шах V

Л9

-Л/7

пах

О 50 100 150 200 250 300 350 400

Длина траектории по прямой 8пр,мм Рисунок 13. Зависимости максимального отклонения (Итах) схвата манипулятора от прямолинейной траектории, увеличение длины траектории (Д5) и отношение максимальных значений Датах ускорений схвата при движении по прямой и при синусоидальном законе изменения ускорения в зависимости от расстояния между точками позиционирования

Рисунок 14. Траектория схвата манипулятора в пространстве

Основные результаты и выводы.

1. Проведённый структурный анализ манипулятора - трипода показал, что в случае применения пятиподвижного сферического шарнира, соединяющего звенья переменной длины, неподвижные части этих звеньев необходимо устанавливать на поворотном основании с помощью двухпод-вижных шарниров, а при использовании четырёхподвижного шарнира - с помощью трёхподвижных шарниров. Такое соединение звеньев механизма

обеспечивает необходимое число степеней подвижности, исключает избыточные связи и местные подвижности.

2. Разработан метод расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания манипулятора, с учётом ограничений накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.

3. Получен алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания, с ограничениями на величину хода исполнительных приводов и углов поворота звеньев в шарнирах. Траектории точек перемещения схвата образуют шесть сферических поверхностей, пересечение которых характеризуют крайние положения схвата манипулятора, в которых происходит комбинация движений штоков звеньев пространственного механизма. Сформулированы условия, исключающие попадание механизма в мертвое положение.

4. Сформирован алгоритм построения нагрузочной геометрико -статической характеристики манипулятора — трипода с поворотным основанием по заданным сечениям зоны обслуживания и определены её участки, в которых направления, действующих усилий не изменяются, что необходимо учитывать при формировании алгоритмов управления приводными звеньями.

5. Решена оптимизационная задача позиционирования схвата манипулятора, без решения обратной задачи кинематики, из условия минимума изменения длин исполнительных звеньев манипулятора, с ограничениями типа равенства и неравенств на величину хода приводов.

6. Расчетные и экспериментальные зависимости изменения длин звеньев манипулятора от времени при движении схвата по прямой и при заранее неопределенной траектории для синусоидального закона изменения ускорения показали, что максимальное отклонение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 10%. Совпадение, с учетом ошибок измерений, теоретических и экспериментальных результатов может служить подтверждением практической реализуемости, исследованных законов движения.

7. При реализации прямолинейной траектории линейные скорости штоков звеньев 1, 2 и 3 изменяют знак, т. е. они совершают в относительном движении возвратно — поступательные движения. И несмотря на то, что длина траектории схвата при синусоидальном законе изменения ускорения исполнительных звеньев больше, суммарное относительное перемещение штоков при осуществлении прямолинейной траектории превышает соответствующие относительные перемещения штоков при синусоидальном законе изменения ускорения исполнительных звеньев. При этом максимальное значение ускорения схвата увеличивается незначительно. При синусоидальном законе изменения ускорения штоков исполнительных

звеньев, их длины при позиционировании схвата изменяются монотонно, и траектория схвата всегда находится в зоне обслуживания манипулятора. Тогда как прямолинейная траектория схвата осуществима не для любых положений конечной точки позиционирования. Таким образом, можно утверждать, что алгоритм и система управления перемещением схвата манипулятора при синусоидальном законе изменения его исполнительных звеньев предпочтительнее.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Герасун В.М. Исследование оптимальных конфигураций манипу-лятора-трипода с поворотным основанием / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Мехатроника, автоматизация, управление, 2013. -№ 6. - С. 21-16.

2. Герасун В.М. К определению зоны обслуживания мобильного ма-нипулятора-трипода / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Машиностроение и инженерное образование, 2013. - №3. - С.2-8.

3. Герасун В.М. Оценка массовых характеристик манипулятора с пространственным механизмом / В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов, В.А. Серов // Известия нижневолжского агроинженерного комплекса: наука и высшее профессиональное образование. — Волгоград: из-во ВолГАУ, 2013. - №3(31). - С. 175-179.

Патенты РФ

4. Патент №2476372 РФ, МПК7 В66С23/36 (2006.01), В60РЗ/00 (2006.01). Аварийно-спасательная машина/ В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.Н. Скакунов, А.В. Еременко, П.В. Федченков, В.В. Дяшкин-Титов - Опубл. 2013.

5. Патент №2501648 РФ, МПК7 В25ЛЗ/02. Устройство ручного управления манипулятором-триподом / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.Н. Скакунов, В.В. Дяшкин-Титов - Опубл. 2013.

В других изданиях

6. Герасун В.М. Синтез манипулятора для информационного мобильного робота / В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы международной научно-практической конференции "Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве - залог успешного развития АПК", Волгоград 25-27 января 2011г. - Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - С. 17-20.

7. Несмиянов И.А. Особенности структурного анализа и синтеза пространственных погрузочных манипуляторов / И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов /7 Материалы международной научно-практической конференции "Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве - залог успешного развития АПК", Волгоград 25-27 января 2011г. -Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - С.21-24.

8. Несмиянов И.А. Моделирование эргатической системы управления погрузочным манипулятором / И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов, В.И. Токарев // Материалы V Международной научно-практической конференции молодых исследователей, г.Волгоград, 11-13 мая 2011г. Часть I. - Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - С.65-68.

9. Герасун В.М. Особые положения трипода в кинематических цепях манипуляторов / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов // 4-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления Материалы 4-й Всероссийской мультиконференции. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. - 2011. Т.2. - С.196-198.

10. Жога В.В. Аварийно-спасательный робот высокой профильной проходимости / В.В. Жога, В.Н. Скакунов, A.B. Еременко, П.В. Федченков, В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, В.Е. Павловский, В.В. Дяшкин-Титов // Экстремальная робототехника: труды международной научно-технической конференции, г. Санкт-Петербург, 2011.

11. Несмиянов И.А. Антропоморфная система управления погрузочным манипулятором-триподом / И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы Международной научно-практической конференции, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г. Том 3. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - С.233-236.

12. Несмиянов И.А. Структурно-геометрический синтез манипулято-ра-трипода с кинематическими парами 5 класса / И.А. Несмиянов, В.М. Герасун, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы Международной научно-практической конференции, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г. Том 3. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - С.236-240.

13. Несмиянов И.А. Моделирование зоны обслуживания погрузочного манипулятора / И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы Международной научно-практической конференции, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г. Том 3. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - С.286-290.

14. Воробьева Н.С. Об оптимальной конфигурации манипулятора-трипода / Н.С. Воробьева, A.B. Еременко, П.В. Федченков, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы XXV Международной научной конференции ММТТ-25, г. Волгоград, 28 -31 мая 2012г. Том 3. - Волгоград: ФГБОУ ВПО ВолгГТУ, 2012.

15. Герасун В.М. Манипуляторы для мобильных роботов. Концепции и принципы проектирования / В.М. Герасун, В.И. Пындак, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов, В.Е. Павловский // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша.-2012. №44. - 24 с.

16. Герасун В.М. Синтез программных движений манипулятора на основе пространственного механизма параллельной структуры с четырьмя поступательными парами / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // 5-я Российская мультиконференция по

-2-

о

проблемам управления. Материалы конференции «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах (УТЭОСС-2012)». - Санкт-Петербург, 2012 г.- С. 722-725.

17. Герасун В.М., Кинематическое исследование манипулятора-трипода / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Современное машиностроение. Наука и образование. Материалы 2-й Международной научно-практической конференции. - СПб.: 2012.-С. 251-258.

18. Дяшкин-Титов В.В. Задача позиционирования манипулятора на основе пространственного исполнительного механизма с применением метода множителей Лагранжа/ В.В. Дяшкин-Титов, Н.С. Воробьева // Материалы Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства - стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», г.Волгоград, 30 января -1 февраля 2013г. Том 5. - Волгоград: ФГЪОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2013. - С.215-220.

19. Несмиянов И.А. Задача позиционирования манипулятора на основе пространственного исполнительного механизма — как задача оптимального синтеза / И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Материалы Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства - стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», г.Волгоград, 30 января -1 февраля 2013г. Том 5. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2013. - С.138-143.

20. Герасун В.М. Исследование устойчивости манипулятора с пространственным исполнительным механизмом / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Современное машиностроение. Наука и образование: материалы 3-й Международной научно-практической конференции / под ред. М.М. Радкевича и А.Н. Евграфова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - С.680-690.

21. Герасун В.М. Силовой анализ манипулятора с /-координатным исполнительным механизмом / В.М. Герасун, В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов // Прогресс транспортных средств и систем -2013: материалы Международной научно-практической конференции, 24-26 сентября 2013 г. / ВолГТУ; редкол.:М.ВЛященко.- Волгоград, 2013.- С.316.

22. Жога В.В. О программных движениях манипулятора-трипода/ В.В. Жога, В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов / 6-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления // Материалы мультиконференции: Изд-во ЮФУ, 2013. - Т.2. - С.146-150.

В авторской редакции

Подписано в печать 26.03.2014. Формат 60*8411/16

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 107 ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива» 400002, г. Волгоград, пр. Университетский, 26.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный аграрный университет"

На правах рукописи

04201459898 /

Дяшкин-Титов Виктор Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА МАНИПУЛЯТОРА -ТРИПОДА НА ПОВОРОТНОМ ОСНОВАНИИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор В.В. Жога

Волгоград - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................................14

1.1. Манипуляторы как основа робототехнических систем......................................14

1.1.1. Машины для работы в экстремальных условиях.............................................14

1.1.2. Манипуляторы типа "трипод" в технологических операциях........................17

1.2. Манипулятор-трипод в составе мобильного робота...........................................27

1.3. Конструктивное выполнение исполнительных звеньев манипулятора............30

1.4. Цель и задачи диссертационной работы..............................................................32

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОР А-ТРИПОДА.....................................................................................................................33

2.1. Структурный анализ манипулятора с пятиподвижным сферическим шарнирным узлом и поступательными кинематическими парами V класса в исполнительных звеньях...............................................................................................34

2.2. Структурный анализ манипулятора с четырехподвижным шарнирным узлом...............................................................................................................................36

2.2.1. Манипулятор - трипод с двухподвижными поступательными кинематическими парами IV класса в исполнительных звеньях..............................36

2.2.2. Манипулятор - трипод с одноподвижными поступательными кинематическими парами V класса в исполнительных звеньях...............................37

2.3. Геометрический синтез манипулятора - трипода на поворотном основании.......................................................................................................................40

2.4. Определение зоны обслуживания манипулятора-трипода с четырьмя

поступательными парами.............................................................................................45

2.4.1. Обратная задача кинематики манипулятора - трипода...................................45

2.4.2. Конфигурация зоны обслуживания манипулятора - трипода.........................48

2.5. Силовой анализ статических режимов работы манипулятора-трипода............52

2.6. Выводы по главе 2..................................................................................................59

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ЗАКОНОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА МАНИПУЛЯТОРА-ТРИПОДА..................................................61

3.1. Задача позиционирования манипулятора - трипода...........................................61

3.2. Траекторная задача позиционирования схвата манипулятора-трипода...........67

3.2.1. Движение схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев...............................................................................................68

3.2.2. Движение схвата манипулятора-трипода по прямолинейной тректории......70

3.3. Метод расчёта программного перемещения рабочего органа манипулятора -трипода из начального положения в конечное...........................................................74

3.3.1. Движение схвата по заранее неопределенной траектории при синусоидальном законе изменения ускорений штоков исполнительных звеньев..74

3.3.2. Движение схвата по прямолинейной траектории............................................77

3.4. Сравнительный анализ позиционирования схвата манипулятора-трипода по заранее неопределенной и по прямой траектории.....................................................80

3.5. Выводы по главе 3..................................................................................................85

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА МАНИПУЛЯТОРА-ТРИПОДА................................................................................87

4.1. Описание экспериментального макета манипулятора-трипода.........................87

4.2. Аппаратная реализация системы управления манипулятором..........................89

4.2.1. Подсистема управления манипулятором мобильного робота........................89

4.2.2. Средства беспроводной связи с манипулятором..............................................95

4.2.3. Подсистема беспроводной передачи данных...................................................96

4.3. Разработка программного обеспечения управления приводами манипулятора.................................................................................................................99

4.3.1. Программное обеспечение микроконтроллера мобильного робота.............101

4.3.2. Программный модуль управления актуаторами манипулятора...................103

4.3.2.1. Команда чтения параметров актуатора.......................................................105

4.3.2.2. Команда ручного управления актуаторами манипулятора.......................106

4.3.2.3. Команда движения до заданной позиции штока актуатора......................108

4.3.2.4. Поток слежения за длинами актуаторов манипулятора.............................109

4.3.3. Программное обеспечение на компьютере верхнего уровня........................110

4.4. Результаты экспериментального определения перемещения схвата манипулятора по заданным законам движения........................................................112

4.5. Выводы по главе 4................................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................116

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

В настоящее время, мобильные роботы, оснащённые манипуляторами, могут быть применяться для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. С их помощью производят погрузочно-разгрузочные и транспортные работы, проводят инженерные работы по расчистке завалов и разборке аварийных конструкций, разминированию. В агропромышленном производстве наиболее трудоёмкими являются погрузочно-разгрузочные работы с пакетированными грузами, мешками и тюками.

В зависимости от области использования определяются основные функциональные показатели манипуляторов, к которым относятся грузоподъемность, мобильность, рабочая зона, погрешность позиционирования. Обычно на роботе устанавливаются традиционные манипуляторы, представляющие собой цепь звеньев механической системы, последовательно соединённых друг с другом с помощью различных кинематических пар. Такие манипуляторы имеют низкий показатель грузоподъёмности, характеризуются высокими статическими и динамическими ошибками.

Одним из способов преодоления указанных недостатков является использование в качестве звеньев манипулятора механизмов параллельной структуры.

Механизмы параллельной структуры применяются уже достаточно давно. Рассмотрим результаты, полученные различными авторами в области исследования механизмов параллельной структуры.

Классификацию механизмов параллельной структуры по числу степеней свободы и числу соединительных кинематических цепей провел К. Хант [116], и также он разработал основные схемы таких механизмов. Работы Колискора А. III. [1,58,59] посвящены синтезу и классификации ряда /-координатных механизмов, которые отличаются тем, что в них выходное звено, в виде платформы, соединено

с основанием шестью кинематическими цепями, имеющими две сферические пары и одну поступательную приводную. Более широкая классификация механизмов параллельной структуры приведена в работах В. А. Глазунова, А Ф. Крайнева [34,35,37,67,131,132].

Алгоритмы построения моделей механизмов параллельной структуры с открытыми и замкнутыми кинематическими цепями разработаны и нашли применение в работах И. И. Артоболевского, М. Вукобратовича, Ф.М. Диментберга, А.Ф. Крайнева, А.Е. Кобринского, М.З. Коловского, Н.И. Левитского, Е.П. Попова и др. [2,3,43,45-49,60,65-67,72,96,113,116,128,129,136138,121].

Построение кинематической модели механизмов параллельной структуры, исследование их динамических свойств рассмотрены в работах: Д. Стюарта, К. Ханта, В. Гауфа, В.А. Глазунова, У.А. Джолдасбекова, А.Ш. Колискора, А.Ф. Крайнева, А.И. Корендясева с Л.И. Тывесом и Б.Л. Саламандрой, Е.И. Юревича, Ю.Л. Саркисяна, Р.И. Ализаде, Е.И. Воробьева и многих других [1,5,6,7,9,13,34,35,38,39,41,42,44,53,55,63,64,74,77,83,110,111,115-119,125-127,133-135].

Методы решения задач кинематики при исследовании механизмов параллельной структуры представлены в работах М. Мохамеда и Д. Даффи [77]. Универсальные матричные методы и методы линейной алгебры для решения задач о положении и скоростях используются в работах Сугимото [110].

Численные и аналитические методы решения прямой и обратной задач о положении и скоростях приводятся в работах [34,41]. Различные методы составления и исследования динамической модели манипулятора представлены в работах Р. Пола [95], М. Вукобратовича [21], Е.П. Попова, А.Ф. Верещагина, С.Л. Зенкевича [96].

Важным моментом при исследовании механизмов параллельной структуры является учет их особых конфигураций, которые способствуют нарушению структуры механизма, предусмотренные функционированием. Вопросы исследования особых конфигураций пространственных механизмов

рассматриваются в работах Ф.М. Диментберга, А.Г. Овакимова, П.А. Лебедева, Л.И. Тывеса, В.В. Лунева, Д. Анджелеса с соавторами, К. Сугимото, Б. Росса, Д. Даффи, В.А. Глазунова, Ж.П. Мерле и других авторов [34,40,56,62, 70,71,73,83,113,122,130].

Вопросы управления механизмами параллельной структуры отражены в работах [21,33,36,57,68,86,87,108,112,120,125,142,144,145].

Применение в мобильных робототехнических комплексах манипуляторов параллельной структуры позволяет снизить металлоемкость, повысить жесткость, обеспечить достаточно высокие динамические характеристики и упростить исполнительную часть манипулятора. К недостаткам механизмов параллельной структуры относятся ограниченность рабочей зоны, относительно небольшая манипулятивность, сложность системы управления, что препятствует широкому применению таких манипуляторов.

В связи с этим актуальность приобретает задача оптимизации геометрических, кинематических и силовых параметров манипуляторов с механизмами параллельной структуры и разработка методик их расчета и проектирования.

Объект исследования.

Объектом диссертационного исследования является трёхстепенной манипулятор с пространственным исполнительным механизмом параллельной структуры, установленный на поворотном основании.

Методы исследования.

Геометрические, кинематические и силовые характеристики манипулятора исследовались с использованием методов теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач на ЭВМ использовались стандартные численные методы, при составлении программ использован пакет математических вычислений «МмЪСай». Моделирование на

макете манипулятора разработанных алгоритмов управления приводными звеньями реализовано на языке программирования С#.

Научная новизна.

Определены структурные схемы манипулятора - трипода для двух типов шарнирного узла, соединяющего звенья переменной длины из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.

Разработан метод расчёта геометрических параметров исполнительных звеньев и поворотного основания с ограничениями, накладываемыми размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор.

Получен алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания в зависимости от геометрических параметров поворотного основания с ограничениями на величину хода исполнительных приводов.

Сформирован алгоритм построения нагрузочной геометрико - статической характеристики манипулятора - трипода с поворотным основанием по заданным сечениям зоны обслуживания.

Решена оптимизационная задача с ограничениями типа равенства и неравенств, минимизирующая изменения длин приводных звеньев манипулятора, при позиционировании схвата в заданную точку рабочей зоны.

Положения выносимые на защиту.

1. Результаты структурного анализа манипулятора - трипода из условий реализации требуемых движений, без избыточных связей и местных подвижностей.

2. Метод расчёта геометрических параметров приводных звеньев и поворотного основания с учётом ограничений, накладываемых размерами и параметрами статической устойчивости мобильной платформы, на которую устанавливается манипулятор и обеспечивающие требуемую зону обслуживания.

3. Алгоритм построения траекторий, формирующих зону обслуживания.

4. Алгоритм построения нагрузочной геометрико - статической характеристики манипулятора - трипода с поворотным основанием.

5. Решение оптимизационной задачи позиционирования схвата манипулятора.

Практическая значимость результатов исследования.

Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, полученных в результате решения, поставленных задач, разработана конструкция и изготовлен робототехнический комплекс РШ - 7 (Патент №2476372 РФ, МПК7 В66С23/36). Манипулятор - трипод с четырьмя линейными приводными звеньями установлен на роботе повышенной профильной проходимости с шагающими движителями.

Апробация работы.

Для выяснения степени новизны и оригинальности методов и подходов, использованных в ходе выполнения исследования, результаты исследований обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях:

- Международная научно-практическая конференция "Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве - залог успешного развития АПК", г.Волгоград 25-27 января 2011г.

V Международная научно-практическая конференция молодых исследователей, г.Волгоград, 11-13 мая 2011г.

- 4-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 3-8 октября 2011г.

- Международная научно-практическая конференция. Экстремальная робототехника, г.Санкт-Петербург, 2011г.

- Международная научно-практическая конференция, г.Волгоград, 31 января -2 февраля 2012г.

- XXV Международная научная конференция ММТТ-25, г.Волгоград, 28 -31 мая 2012г.

- Современное машиностроение. Наука и образование. 2-ая Международная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург, 2012г.

5-я Российская мультиконференция по проблемам управления. «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах (УТЭОСС-2012)», г.Санкт-Петербург, 9-11 октября 2012 г.

- Международная научно-практическая конференция «Интеграция науки и производства - стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», г.Волгоград, 30 января -1 февраля 2013г.

- Современное машиностроение. Наука и образование: 3-я Международная научно-практическая конференция, г.Санкт-Петербург 20-21 июня 2013г.

- Международная конференция "Прогресс транспортных средств и систем -2013", г.Волгоград, 24 - 26 сентября 2013 г.

- 6-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления, пос. Дивноморское, Геленджик, 30 сентября - 5 октября 2013 г.

Экспериментальный макет манипулятора-трипода демонстрировался на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи 26-29 июня 2012 года (г. Москва).

Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, из них 3 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, получены 2 патента на изобретения.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №13-08-00387) «Исследование кинематических и динамических характеристик робота-манипулятора на основе пространственного механизма параллельной структуры».

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка литературы и приложения.

В первой главе проведён анализ литературы по вопросам синтеза и анализа механизмов параллельной структуры. Указаны их достоинства и недостатки в сравнении с традиционными манипуляторами, представляющими собой цепь звеньев механической системы, последовательно соединённых друг с другом с помощью различных кинематических пар. Рассмотрены технические задачи, стоящие перед мобильными роботами лёгкого класса с манипуляторами. Особенности их применения при выполнении специальных технологических операций и в различных отраслях промышленности.

Описывается конструкция манипулятора - трипода на поворотном основании, способная агрегатироваться на мобильных роботах. Представлена конструкция манипулятора - трипода, реализованная в Волгоградском ГАУ в экспериментальном образце, где манипулятор размещён на самоходном шасси Т-16М. В качестве исполнительных звеньев используются гидроцилиндры, штоки которых пересекаются в одной точке посредством пятиподвижного сферического шарнирного узла. К недостатку данного манипулятора можно отнести сложность управления гидроприводом.

В настоящее время разработаны современные электропривода постоянного тока на базе высокоскоростных двигателей, удельная мощность которых приб