автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Роботизированные системы с механизмами параллельной структуры на основе подвесных платформ

На правах рукописи

ЧИСТЯКОВ Анатолий Юрьевич

РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ С МЕХАНИЗМАМИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПОДВЕСНЫХ ПЛАТФОРМ

Специальность 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет путей сообщения"

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Волков Андрей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тисенко Виктор Николаевич

Защита состоится 6 июня 2006 г в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.12 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, С-Петербург, Политехническая 29,1-й учебный корпус, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан 22. апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.12

кандидат технических наук, доцент Евграфов А.Н.

кандидат технических наук Унтилов Александр Алексеевич

Ведущая организация: ОАО "Иркутский научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства" (г. Иркутск).

Zoo6 А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последние годы в робототехнике все более широкое применение находят механизмы параллельной структуры. Робототехнические системы, имеющие механизмы с параллельными кинематическими цепями (механизмы параллельной структуры), в первую очередь построенные по схеме шестистепенной платформы Стюарта, отличаются тем, что у любого из них выходное звено (платформа) имеет систему звеньев переменной (управляемой) длины, каждое такое звено одним концом шарнирно соединяется с неподвижным основанием, а другим - с перемещаемой платформой. Такие системы обладают рядом важных достоинств, таких как высокая жесткость, надежность, компактность. Платформа Стюарта является объектом многих научных исследований, в числе которых следует отметить в первую очередь работы А.Ш. Ко-лискора, В.А. Глазунова, А.Ф. Крайнева, Л.И. Тывеса, М.З Коловского, A.B. Слоуща, А.Н. Волкова. В теории механизмов подобные механические системы рассматриваются как частные случаи пространственных многоконтурных рычажных механизмов, самые последние, результаты в этой области преимущественно для небольшого числа контуров содержатся в монографии Э.Е. Пейсаха.

Имеются определенные достижения в этом направлении и на практике. Известны примеры удачных конструкций станков, стендов и другого оборудования различного назначения, построенных на механизмах параллельной структуры, краткие сведения об этом поступают из проспектов фирм, технических выставок и т.п.

Как основные недостатки механизмов параллельных структур в роботах и робототехнических манипуляционно-транспортных системах следует отметить малость рабочих зон по сравнению с общими габаритами вследствие большого числа геометрических ограничений и в первую очередь ограниченностью диапазонов длин приводных звеньев, т.е. ходов гидроцилиндров или других линейных приводов.

рос. национальна'

библиотека

Между тем существуют возможности значительного совершенствования роботов с механизмами параллельной структуры. Один из путей расширения многообразия принципиальных и схемных решений механизмов параллельной структуры при увеличении рабочих зон связан с применением вместо жестких приводных звеньев (гидроцилиндров или линейных электромеханических приводов с винтовыми передачами) гибких звеньев в виде тросов переменной (управляемой) длины. Особенностью таких систем является то, что производится подвешивание объекта на определенном числе тросов управляемой длины, чтобы изменение длин тросов платформе можно было задавать определенные или произвольные в определенных диапазонах линейные и угловые перемещения. Подвешивание на достаточно больших высотах в свободном пространстве, где отсутствуют препятствия, предоставляет возможности перекрытия больших зон.

В данной диссертации применительно к робототехническим системам с программным автоматическим или автоматизированным управлением прорабатывается указанный способ подвешивания переносимых объектов на системе непараллельных тросов. У подвешенного объекта отнимается определенное число степеней свободы; имеется в виду, что каждый трос, если он натянут, у подвешенного объекта отнимает одну степень свободы. Перемещения платформы осуществляются за счет того, что длины тросов изменяются с помощью управляемых лебедок. Подвешивание только на трех тросах управляемой длины позволяет задавать требуемое положение одной точки объекта, но для задания также и угловой ориентации необходимо использовать другие тросы или иные средства. Подвешивание на шести тросах при правильном их расположении, когда обеспечивается их натяжение, в принципе достаточно для возможности задания требуемых значений всем шести геометрическим параметрам, полностью определяющим положение, поступательные и угловые перемещения объекта подобно тому, как это имело место в шестистепенном механизме платформы Стюарта с жесткими звеньями. Этот принцип однозначного задания на подвесе всех параметров позиционирования и углового ориенти-

рования подвижных платформ был предложен и предварительно проработан применительно к техническому оснащению сцен театров А.Н. Волковым, основные результаты этих исследований изложены в серии опубликованных им работ. До этого подобные робототехнические системы на базе подвесных шестистепенных платформ не использовались и не исследовались.

Функции, которые могут выполнять подобные робототехнические системы разнообразны: перенос грузов в свободных зонах под потолком в закрытых помещениях, наблюдение, охрана открытых территорий и т.п. Причем размеры рабочих зон могут быть большими, порядка многих десятков метров. Отсюда вытекает что тема данной диссертации, посвященной анализу возможностей практического применения и разработке методик расчета и проектирования робототехнических систем на основе подвесных шестистепенных платформ с управляемыми длинами тросов подвеса, является актуальной.

Целью работы является построение математических моделей многоцелевых роботов, имеющих механизмы параллельной структуры на базе многостепенных платформ на подвесах, анализ их свойств на математических моделях, определение путей расширения их рабочих зон применительно к использованию в роботизированных комплексах различного назначения.

Для достижения указанной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи:

- формулировка предложений и обоснование перспектив использования робототехнических манипуляционно-транспортных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, позиционируемых и ориентируемых изменением длин тросов путем управления лебедками;

- формулирование и анализ требований к робототехническим мани-пуляционным системам рассматриваемого типа в зависимости от решаемых прикладных задач и условий функционирования;

- геометрический анализ, решение прямой и обратной задач для типовых схем с шестью степенями подвижности;

- исследование распределений нагрузок на тросы робототехнических систем рассматриваемого типа в статических режимах в зависимости от параметров линейных перемещений и углов поворота;

- формулирование и формализация условий натяжения всех тросов подвеса и определение, исходя из этих условий, областей возможных положений и углов ориентации платформы;

- разработка и обоснование рекомендаций по размещению лебедок, исходя из требований обеспечения заданных рабочих зон и диапазонов углов поворота; выработка и обоснование предложений по расширению областей возможных положений и диапазонов углов поворота платформы;

- определение влияния растяжимости и провисания тросов подвеса платформ робототехнических систем рассматриваемого типа на точность задания линейных перемещений и углов поворота;

- постановка и формализация некоторых задач динамики робототехнических систем рассматриваемого типа;

- проверка на макете новых принципиальных и схемных решений робототехнических манипуляционно-транспортных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- показано, что робототехнические манипуляционные системы параллельной структуры на основе шестистепенных подвесных платформ, жестко фиксируемых в любых положениях в пределах области возможных положений, при размещении всех приводов на неподвижных основаниях позволяют осуществлять в определенных пределах линейные перемещения по трем координатам и вращения вокруг трех осей;

- определены возможности механизмов робототехнических манипу-ляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ последовательно с шестью и меньшим числом степеней подвижности, для ряда типовых случаев определены рабочие зоны;

- показано, что для робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ важны выбор мест расположения лебедок, сформулированы и обоснованы предложения по выбору вариантов схем;

- предложена методика силовых расчетов робототехнических систем параллельной структуры для статических и динамических режимов;

- обоснован выбор критериев, которые нужно использовать при выборе параметров робототехнических систем рассматриваемого типа и сформулированы конкретные предложения по численному решению этих задач.

Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики манипуляторов исследовались с использованием методов аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При составлении программ были использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- проработан новый принцип построения робототехнических мани-пуляционно-транспортных систем на основе шестистепенных подвесных платформ, управление положением которых осуществляется изменением длин тросов подвеса;

- сформулированы и формализованы условия, при выполнении которых желаемые положения платформы реализуемы;

- разработана и обоснована методика построения границ рабочих областей с учетом ограничений по ходам приводов и непересечения тросов и исключения особых положений;

- предложен и обоснован способ ортогонализации схем робототехнических систем рассматриваемого типа, при которых допускается упрощение управление систем управления при малых перемещениях и малых углах поворота;

- применительно к задаче позиционирования платформы разработана методика учета растяжимости и провисания тросов подвеса платформы. Практическая ценность работы.

1. Разработана инженерная методика определения параметров размещения лебедок робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, исходя из необходимости перекрытия заданных зон.

2. Получены формульные зависимости для управляющих программ приводов систем лебедок для получения требуемых положений платформы.

3. Разработана методика определения точности позиционирования и углового ориентирования платформы.

4. Разработана классификация основных компонентов робототехнических систем данного типа, которая может быть положена в основу специализированных баз данных.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на ряде научно-технических конференций в Иркутске, на семинаре кафедры «Автоматы» СПбГПУ а также на IV международной научно-практической конференции в г.Пенза. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Список использованной литературы содержит 111 наименований. Общий объем диссертации 139 страниц, в тексте имеется 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор содержания диссертации по главам. Основной материал диссертации распределен по пяти главам.

В первой главе сначала определяется специфика робототехнических систем на основе подвесных платформ. Научным руководителем данной диссертационной работы А.Н. Волковым предложено вместо модулей приводных звеньев переменной (управляемой) длины с жесткими звеньями использовать модули с гибкими звеньями в виде тросов (рис. 1), предполагается, что длины свободных участков которых изменяется по программам с помощью автоматически управляемых лебедок.

Рис. 1 .Схема многостепенного механизма с гибкими звеньями

Очевидно, что схемы многостепенных механизмов при использовании такого принципа могут быть только параллельной структуры. Для упорядочивания многообразия рассматриваемых робототехнических систем на основе подвесных платформ необходима их фасетная (многоаспектная) классификация. Классификационные признаки подобных устройств с их расшифровкой приведены на рис. 2.

Далее в первой главе подробно рассматриваются перспективные области применения робототехнических систем на основе многостепенных подвесных платформ, устанавливается специфика конкретных приложений: для погрузо-разгрузочных работ в нерасчлененных закрытых помещениях (типа больших ангаров, крытых стадионов) и на открытых пло-

щадках (дворах), окруженных стенами, при монтаже на открытых площадках временных сооружений, состоящих из большого числа громоздких, но не очень тяжелых фрагментов, например в виде ферм или плоских щитов, для контроля или наблюдения за обстановкой или поиска определенных объектов и т.д.

Рис.2. Классификационные признаки робототехнических систем на основе подвесных платформ

При реализации функций наблюдения рабочий орган представляет собой чувствительный элемент, сенсор, датчик или информационно-измерительную систему, включающая или видеокамеру, или сложную бинокулярную систему технического зрения, или дистанционные датчики жесткого, инфракрасного теплового или электромагнитного излучения, или датчики радиоактивных излучений, или систему микрофонов, или газоанализаторы и т.п. Предлагается также использовать робототехнические системы рассматриваемого типа для анализа состояния строительных конструкций на большой высоте. Конкретная специфика может быть учтена

при использовании подвесных платформ для наблюдения за транспортными потоками на перекрестках, а также в местах большого скопления людей на малых пространствах. Одна из возможных областей применения в местах, заранее не подготовленных - осмотр в очень ответственных случаях мест аварий и других нештатных ситуаций, в том числе с опасным химическим и радиоактивным загрязнением, когда зона с большим запасом может быть огорожена, необходимо снимать детально карту распределения интенсивности и локализовать пятна загрязнений и когда полностью исключается участие как персонала, так и роботов-разведчиков на колесных или гусеничных шасси. Для этих ситуаций требуется иметь мобильные комплексы рассматриваемого типа с быстро устанавливаемыми высокими опорами.

В серии публикаций А.Н. Волкова применительно к техническому оснащению сцен оперно-балетных театров обсуждается проблематика имитации свободного полета на платформе актеров над планшетом сцены. На выставках и в развлекательных парках для общего обзора сверху с разных точек наряду с монорельсовыми и подвесными дорогами могут быть использованы подвесные робототехнические системы рассматриваемого типа; при этом возможно произвольное, в том числе и управляемое самими пассажирами задание траекторий и, возможно, угловых ориентаций, опускание и подъемы, а также повороты вокруг вертикальной оси. В заключение первой главы формулируются задачи исследования в данной диссертации.

Первая часть второй главы посвящена определению места рассматриваемых задач механики робототехнических систем на основе многостепенных подвесных платформ в общей теории роботов с механизмами параллельной структуры. Кратко рассматривается и анализируется метод /координат А.Ш. Колискора, отмечаются присущие ему ограничения (совмещение шарниров). Предлагается новый метод составления геометрических соотношений при произвольном расположении точек закрепления тросов на платформе. Значительное внимание обращено на разработку ма-

тематического аппарата для геометрического и силового анализа подвесных платформ. Рассматривается такая робототехническая система, у которой лебедки располагаются на неподвижных опорах на разных уровнях, а места закрепления тросов на подвижной платформе произвольны и попарное совмещение этих точек закрепления не требуется.

Третья глава посвящена решению задачи разработки методики определения для шестистепенной платформы на тросовом подвесе области возможных положений (ОВП) в общем случае в шестимерном пространстве составляющих линейных перемещений и углов поворота. Эта область определяется в этом общем случае как шестимерное тело в шестимерном пространстве любых шести обобщенных координат, чаще всего трех составляющих радиуса-вектора, трех координат х, у, г центра платформы и трех углов поворота (например, углов Эйлера-Крылова у, 0, <р). Сначала отмечается, что нужно исключать особые положения платформы, исследованию свойств которых посвящена обширная литература, формулируются конкретные рекомендации. Однако основными являются условия сохранения натяжения (положительности усилий) всех тросов подвеса платформы, именно они преимущественно определяют границы области возможных положений.

В рассматриваемых в данной диссертации задачах на передний план выходят уравнения статики, поскольку именно из них находятся условия неотрицательности усилий 5, в тросах. Число тросов произвольно, но позиционирующих тросов шесть, дополнительные тросы задают определенные усилия, которые расширяют рабочую зону. При действии только силы тяжести уравнения статики платформы приобретают вид:

где гс - радиус-вектор центра масс, а гг радиус-вектор точки закрепления /-го троса, Р • суммарная сила тяжести, 5, - векторы сил реакций тросов, приложенная к центру масс, сумма с индексом \ относится к позиционирующим тросам, а с индексом ] - к дополнительным.

ВД+^З + Р-0

х5| + Е|Г, + гс х/> = О

(1) (2)

Разработанная методика определения границ области возможных положений основывается на следующих соображениях. Выход на границу ОВП при перемещениях происходит тогда, когда по крайней мере одно из усилий обращается в нуль. Фиксирование одного из усилий 5, (в данном случае - приравнивание нулю: 5, =0) означает выход точки на пятимерную гиперповерхность в шестимерном пространстве усилий. Поскольку возможных независимых условий 5, =0 шесть, то в шестимерном пространстве усилий выделяется шестигранник, ограниченный шестью криволинейными гиперплоскостями. В общем случае для получения замкнутой области возможных положений необходимо дополнительно учитывать ограничения сверху на усилия 5, , обусловленные ограниченностью моментов приводов лебедок.

На этом построена подробно описанная в диссертации методика аналитического или численного определения границ ОВП. Сначала задаются такие параметры положения платформы, при которых усилие в первом тросе обращается в нуль, т.е. 5/ = 0, а в остальных тросах усилия положительны, получается первый участок границы ОВП. Затем аналогичным образом, задается требование 5г = 0, проверяется положительность остальных усилий, и отсюда получается уравнение второго участка границы. После перебора и приравнивания нулю последовательно всех усилий (г =1, 2, 3, 4, 5, 6) получаются уравнения всех участков границы, шести гиперповерхностей. В заключение главы на основе принципа кинетостатики рассматриваются задачи динамики подвесных многостепенных платформ при наложении тех же условий неотрицательности усилий натяжения всех тросов. Для получения границ ОВП требуется решение задач геометрии подвесных платформ. При этом исходными являются приведенные ниже соотношения. В соответствии с векторными выражениями, определяющими положение точки подвижной платформы в базовой системе координат в векторной форме /-ое уравнение имеет вид:

р + г,= Л, + /1 (3)

Здесь р - радиус-вектор центра подвижной платформы, г, - радиус-вектор точки закрепления 1-го троса на платформе относительно ее центра, Л, -радиус-вектор размещения на неподвижном основании ¡—ой лебедки. Направление вектора ¡-го троса /, от каждой точки закрепления троса на платформе к соответствующей точке закрепления на основании характеризуется единичным вектором е,. Отсюда искомый единичный вектор определяется следующим образом:

= Л I /, Г' = (р + г, - Я,) | р + г, - Л, Г' (4)

Чтобы перейти к скалярной форме, нужно использовать матричное уравнение:

р + Гг,= Л,+ /, (5)

Решение задач геометрии осуществляется в направляющих косинусах векторов е,, что является новым для теории многостепенных платформ. В заключение главы оценено влияние фактора провисания тросов и их растяжения, сформулированы предложения по уменьшения влияния этих факторов.

В четвертой главе по преимуществу рассматриваются типовые, представляющие наибольший интерес варианты подвешивания платформы. Подробно рассмотрен еще ряд схем, имеющих определенные преимущества. Сначала охарактеризованы признаки, определяющие геометрию ОВП, рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения лебедок и особенности конфигураций рабочих зон. Затем сформулированы общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ. Во всех случаях основу принят такой подход, при котором по тем или иным критериям для номинального положения (среднего в рабочей зоне) осуществляется оптимизация. В качестве одного из критериев выбирается принцип близости к диагональной матрицы преобразования длин тросов к обобщенным координатам платформы. Как наиболее перспективная рассматривается ортогонализованная схема. Показано, что для подобной ортогонализованной схемы натяжение всех тросов обеспечива-

ется только в прямоугольной системе координат, повернутой относительно плоскости горизонта.

Путь получения одного из рекомендуемых вариантов представлен на рис. 3.

Здесь рис. 3 а иллюстрирует способ построения конфигурации на кубе в исходных ортогональных осях, а рис. 3 б- вид сверху в рекомендуемом повернутом положении, когда диагональ 2 куба направлена по вертикали. Данная схема отнесена к специальной категории ортогональных, поскольку в номинальном положении тросы направлены по осям ортогональной (но повернутой) системы координат.

Очевидным достоинством схем с подвешиванием является возможность использования тросов большой длины (порядка десяти метров и более), допустимость разнесения в пространстве позиций установки лебедок и поэтому обеспечение возможностей получения больших перемещений при определенным образом задаваемых длинах тросов посредством управления (автоматизированного или даже автоматического, без участия человека-оператора или рабочего) углами поворота барабанов лебедок.

Недостатки предлагаемого построения схем подвижных платформ, подвешенных на гибких звеньях - тросах, очевидны: невысокая точность задания длин натянутых участков тросов (аналогов приводных звеньев)

а

б

Рис. 3. Схемы построения конфигурации на кубе

пониженная жесткость, возможность относительно низкочастотных поперечных колебаний тросов, возбуждаемых при движении, а главное - необходимость обеспечения натяжения во всех положениях платформы. Однако могут быть получены большие размеры ОВП и это основное.

В пятой главе сначала обсуждаются принципы и способы управления манипуляционными системами рассматриваемого типа, предлагается алгоритм автоматического управления, не требующий больших вычислительных ресурсов. Особое внимание обращается на анализ использования в системах автоматического управления датчиков различных типов и принципов действия, измеряющих непосредственно координаты, их при- I

ращения или усилия натяжения в тросах. Формулируются задачи введения поправок в управляющие программы на растяжения тросов и другие влияющие факторы. В заключение главы приводятся сведения о созданном макете и результатах его испытаний. Предварительные испытания макета подтвердили правильность предлагаемых принципиальных и схемных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации, можно формулировать следующим образом.

1. Предложена многоаспектная классификация робототехнических систем на основе подвесных платформ, которая может быть использована, как основа специализированной базы данных о робототехнических системах рассматриваемого типа. ,

2. Показано, что рассматриваемые робототехнические системы могут быть использованы для погрузо-разгрузочных работ в нерасчлененных за-

«

крытых помещениях и на открытых площадках, для охраны, наблюдения и контроля. При этом в зависимости от конкретного назначения могут быть использованы различные рабочие органы, датчики или информационно-измерительные системы. В качестве сил, обеспечивающих натяжение тросов, в открытых пространствах обычно выступают силы веса, но могут

быть использованы аэростатические или гидростатические подъемные силы.

3. Установлено, что основные характеристики робототехнических систем рассматриваемого типа определяются четырьмя группами факторов: требованиями к заданию положения центра платформы, углов ее ориентации, возможностями использования для позиционирования и ориентирования сил тяжести, областями возможных положений объекта.

4. Для механизма робототехнической системы на основе шестисте-пенной платформы предложен и проработан новый метод составления исходных геометрических соотношений, при котором в отличие от известного метода /-координат допускается произвольное пространственное распределение точек закрепления тросов на подвижной платформе и произвольное расположение лебедок.

5. Важнейшей характеристикой многостепенной робототехнической системы рассматриваемого типа является область возможных положений платформы в шестимерном пространстве линейных координат и углов поворота для пространственной задачи и в трехмерном пространстве - для плоской задачи.

6. При определении областей возможных положений систем на основе подвесных платформ учитываются условия неотрицательности усилий (натяжений) тросов, условия непересечения приводных звеньев, требования исключения особых положений.

7. Показано, что условия неотрицательности натяжений тросов получаются из уравнений статики, при составлении которых в качестве основных геометрических параметров целесообразно рассматривать направляющие косинусы. Участки границ области возможных положений получаются из условий поочередного обращения в нуль усилий в тросах.

8. Как наиболее перспективные выделены следующие виды схем подвешивания: близкие к осесимметричным, ортогонализованные, плоские; для них проведены самостоятельные исследования.

9. Получены обоснованные рекомендации по схеме подвешивания платформы, размеры которой малы по сравнению с рабочей зоной, целесообразно начинать с выбора ориентации направлений тросов в номинальном положении; при этом свойства подвеса определяются матрицей связи приращений длин тросов и обобщенных координат платформы.

10. Установлено, что при построении схем подвеса, ортогонализо-ванных в горизонтально-вертикальной системе координат, всегда необходимы дополнительные тросы; но дополнительные тросы можно не вводить, если использовать ортогональность осей в прямоугольной системе координат, но оси которой наклонены к плоскости горизонта.

11. Показано, что достаточно практичными и в то же время приспособленными для анализа свойств являются схемы подвешивания, близкие к осесимметричным; возможности изменения углов поворота платформы зависят от углов расхождения тросов подвеса.

12. Для автоматического управлении движением платформы предложена типовая блок-схема, при компьютерном управлении основной объем вычислений приходится на тригонометрические преобразования.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чистяков А.Ю. Структура, схемы и математические модели робо-тотехнических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. /Иркутск: ИрГУПС. - 2005, вып. 4. - С.68-76 (0,8 п.л.).

2. Чистяков А.Ю. Возможности и перспективы применения робото-технических систем на основе подвесных многостепенных платформ. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2006, вып. 1. - С. 18-26 (0,8 п.л.).

3. Чистяков А.Ю. Схемы подвеса платформ многостепенных робото-технических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2006, вып. 1. - С.27-33 (0,7 п.л.).

4. Мархадаев Б.И., Чистяков А.Ю. Полициклоидные мехатронные системы: компоновочные структуры, топология структур и траекторий, механика, управление и применение. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. -2004, вып. 4. - С.25-34 (всего 0,81 пл., в т.ч. авторских 0,2 п.л.).

5. Мархадаев Б.И., Чистяков А.Ю. Манипуляционные мехатронные устройства при обслуживании высокопроизводительного оборудования. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2004, вып. 4. - С.35-40. (всего 0,5 п.л., в т.ч. авторских 0,16 п.л.).

6. Чистяков А.Ю. Роботизированные системы с механизмами параллельной структуры на основе подвесных платформ. // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях». / Пенза: Изд-во РИО ПГСХА, 2006, - С.51-53 (0,3 п.л.).

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 20.04.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л .1,0. Тираж 100. Заказ 480Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 297-57-76

;

город 68 62

Введение

Глава 1. ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПОДВЕСНЫХ МНОГОСТЕПЕННЫХ ПЛАТФОРМ

1.1. Специфика робототехнических систем на основе подвесных платформ

1.2. Схемы шестистепенных механизмов робототехнических систем параллельной структуры

1.3. Классификация робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ

1.4. Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в погрузо-разгрузочных работах

1.5. Возможности робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ при контроле и наблюдении

1.6. Возможности применения робототехнических систем параллельной структуры на базе подвесных платформ в театре

1.7. Возможности применения робототехнических систем параллельной структуры при использовании аэростатических или гидростатических подъемных сил

1.8. Задачи исследования в данной диссертации 37 Выводы по главе

Глава 2. СТРУКТУРА, СХЕМЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С МЕХАНИЗМАМИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

2.1. Механизмы параллельной структуры в робототехнике

2.2. Требования к манипулированию и выбор схем подвешивания

2.3. Геометрия и кинематика подвижных платформ. Метод

-координат 49 ® 2.4. Метод составления геометрических соотношений при произвольном расположении точек закрепления тросов на платформе

Выводы по главе

Глава 3. РАБОЧИЕ ЗОНЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ НА ПОДВЕСНЫХ ПЛАТФОРМАХ

3.1. Область возможных положений платформы и ее сечения ф 3.2. Особые положения многостепенных платформ 61 3.3. Условия сохранения натяжения всех тросов подвеса и ограничения области возможных положений платформы 64 3.4 Общая методика определения области возможных положений платформы

3.5. Задачи динамики подвесных многостепенных платформ

3.6. Задачи расчета ошибок позиционирования (параметров положения) платформы

3.7. Учет влияния сил веса тросов на область возможных положений 78 # 3.8. Точное и приближенные решения задачи о провисании троса

Выводы по главе

Глава 4. СХЕМЫ ПОДВЕСА МНОГОСТЕПЕННЫХ ПЛАТФОРМ

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1. Геометрия рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения опор для лебедок и конфигурация рабочей зоны

4.2. Общие подходы к выбору вида и параметров схем систем w подвешивания подвижных платформ

4.3. Ортогонализованные системы подвешивания платформы

4.4. Плоские (двумерные) системы подвешивания платформы

4.5. Трехмерные схемы, близкие к осесимметричным

4.6. Схемы с размещением нескольких лебедок над рабочей зоной 106 ^ 4.7. Комбинированные параллельно-последовательные схемы

Выводы по главе

Глава 5. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ:

ПРОГРАММЫ, ОШИБКИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И

ОРИЕНТИРОВАНИЯ И ИХ КОМПЕНСАЦИЯ 113 5.1. Программы управления положением и структура систем управления 114 ф 5.2. Позиционные датчики обратных связей в замкнутых системах управления движением платформ на подвесах

5.3. Датчики усилий натяжения тросов в системах управления движением платформ на подвесах

5.4. Учет способов установки лебедок

5.5. Реализация, испытания макета

При возникновении робототехники как науки в семидесятых годах считалось, что основными сферами массового применения роботов будут обслуживание технологического оборудования, самостоятельное выполнение некоторых технологических операций (сварки, окраски), работа в экстремальных условиях (под водой, в космосе, в условиях сильной радиации или высокой химической концентрации вредных веществ). За три десятилетия развития робототехники выяснилось, что разнообразие роботов, классифицируемых по назначению, характерным признакам принципиального, схемного и конструктивного решений, оказалось очень широким, что лишь отчасти отражено в монографической и учебной литературе [11, 12, 18, 19, 21, 47, 57, 68, 74, 86, 87, 88, 101, 110]. Отношение к робототехнике существенно изменилось. Если раньше, например, во второй половине семидесятых - в начале восьмидесятых годов полагали, что манипуляционные роботы должны внедряться массово на производстве, и это даст большой народнохозяйственный эффект, то теперь значительное внимание уделяется разработкам для нетрадиционных сфер применения, причем часто непосредственный экономический эффект отходит на второй план, а основными становятся иные соображения.

Параллельно со значительным расширением сфер применения и разнообразием назначения происходит увеличение многообразия схемных решений механизмов роботов. Раньше большинство манипуляторов манипуля-ционных роботов имело незамкнутые кинематические цепи, т.е. имело механизмы последовательной структуры. Робототехника начиналась с имитации механизма руки человека с вращательными кинематическими парами, соединяющими жесткие звенья. Теперь все более широкое применение находят роботы с механизмами параллельной и комбинированной структур. Механизмы с параллельными кинематическими цепями (механизмы параллельной структуры, их наиболее известным представителем является так называемая платформа Стюарта), отличаются тем, что у любого из них выходное звено соединяется с неподвижным основанием через систему звеньев переменной длины, обладают рядом важных достоинств, таких как высокая жесткость, надежность, компактность. Платформа Стюарта является объектом многих научных исследований [2, 3, 4, 26, 27, 28, 32, 33, 34, 65, 90, 97, 100, 102]. Имеются определенные достижения и на практике. Известны примеры удачных конструкций станков, стендов и другого оборудования различного назначения, построенных на механизмах параллельной структуры. Однако как недостатки следует отметить малость рабочей зоны по сравнению с общими габаритами, сложность управления манипуляторами переменной структуры и недостаточную проработанность методик, которые позволяли бы получать как оптимальные варианты конструкций, так и наиболее подходящие алгоритмы автоматического или автоматизированного управления приводами.

Недостаточная глубина исследования механики манипуляторов с параллельными кинематическими цепями объясняется высокой сложностью и, в общем случае, неоднозначностью аналитического решения обратной задачи геометрии и кинематики. Однако, уровень развития компьютерных технологий на сегодняшний день, позволяет применять эффективные численные методы, для решения многих задач расчета и оптимизации при проектировании манипуляторов данного типа. В связи с этим особую актуальность приобретает задача исследования возможности оптимизации геометрических, кинематических, силовых и динамических параметров роботов, имеющих манипуляторы с механизмами параллельной структуры, и разработать научные основы методик их расчета и проектирования.

Один из аспектов расширения многообразия принципиальных и схемных решений механизмов манипуляторов связан с применением гибких звеньев. Гибкие звенья могут иметь самые различные свойства. Например, были попытки использовать гибкие упругие элементы, так что механизм как бы имитировал гибкий хобот. Однако подобные механизмы не приспособлены для использования в манипуляторах параллельной структуры.

В данной диссертации объектами исследования являются роботы с механизмами параллельной структуры, у которых выходное звено (платформа) подвешена на тросах. Подвешивание на одном или на нескольких параллельных тросах широко применялось и продолжает применяться в подъемно-транспортном оборудовании [1, 20]. В данной диссертации прорабатывается новый способ подвешивания различных объектов на системе непараллельных тросов так, что у подвешенного объекта отнимается по возможности большее число степеней свободы, имеется в виду, что каждый трос, если он натянут, у подвешенного объекта отнимает одну степень свободы. Подвешивание на трех тросах управляемой длины позволяет задавать требуемое положение одной точки объекта, для задания угловой ориентации необходимо использовать другие тросы или иные средства. Подвешивание на шести тросах при правильном их расположении, когда обеспечивается их натяжение, в принципе достаточно для возможности задания требуемых значений всем шести параметрам, полностью определяющим поступательные и угловые перемещения объекта. Этот принцип однозначного задания на подвесе всех параметров позиционирования и углового ориентирования был предложен и предварительно проработан применительно к театральной машинерии научным руководителем данной диссертации доцентом А.Н.Волковым, основные результаты этих исследований изложены в серии работ [26, 27, 28, 29]. До этого подобные подвесные шестистепенные платформы до сих пор не использовались и не исследовались.

Если в выбранном фиксированном положении платформы все тросы натянуты, то они в совокупности обеспечивают полное позиционирование по всем шести степеням подвижности (они задают каждую из трех линейных координат и каждый из трех углов ориентации) подобно тому, как это имеет место в шестистепенном механизме платформы Стюарта с жесткими звеньями.

В последнем случае имеется полная аналогия рассматриваемых в данной диссертации систем с обычными манипуляционными роботами с жесткими звеньями или с подъемными кранами с жестким закреплением груза. При управлении положением объекта с помощью изменения длин тросов рассматриваемые системы подвешивания с полным основанием можно считать манипуляционными роботами или робототехническими системами.

В данной диссертации имеются совсем другие области применения подобных робототехнических систем, они перечислены и охарактеризованы в главе 1. В рассматриваемых в данной диссертации конструкциях имеется в виду, что длины тросов изменяются по заданным программам с помощью управляемых лебедок с намоткой тросов на барабаны. Детально вопросы реализации этих устройств рассмотрены в главе 4. Здесь лишь отметим, что важным фактором является рациональное размещение лебедок на опорах. Некоторые или все лебедки должны располагаться на верхних уровнях. В помещении некоторые из лебедок могут крепиться к установочным приспособлениях на стенах, в открытых пространствах они должны устанавливаться на мачтах. Применительно к фактору размещения лебедок в данной диссертации формулируются и решаются задачи анализа (задано их расположение, определяется рабочая зона) и задачи синтеза (задается рабочая зона, выводятся требования к размещению лебедок).

Очевидным достоинством схем с подвешиванием является возможность использования тросов большой длины (порядка десяти метров и более), допустимость разнесения в пространстве позиций установки лебедок и поэтому обеспечение возможностей получения больших перемещений при определенным образом задаваемых длинах тросов посредством управления (автоматизированного или даже автоматического, без участия человека-оператора или рабочего) углами поворота барабанов лебедок. В частности, возможна имитация свободного полета платформы над сценой по сложным, свободно программируемым траекториям. Традиционное схемное решение задачи полета подробно анализируется далее. Важно, что при традиционном способе возможны только движения с существенными ограничениями (в одной вертикальной плоскости или с малыми отклонениями от нее).

Недостатки предлагаемого принципиально нового построения схем подвижных платформ, подвешенных на гибких звеньях - тросах - очевидны: невысокая точность задания длин натянутых участков тросов, аналогов приводных звеньев, пониженная жесткость, возможность относительно низкочастотных поперечных колебаний тросов, возбуждаемых при движении, а главное - необходимость обеспечения натяжения во всех положениях платформы. Именно проблеме обеспечения натяжения тросов во всех положениях в течение всего времени движения в данной диссертации уделяется значительное внимание.

Несмотря на отмеченные недостатки механизмы, построенные по различным вариантам схем многостепенных подвесных платформ (не обязательно шестистепенных), могут найти широкое применение при решении многих прикладных задач.

Целью работы является многоаспектный анализ на математических моделях и обоснование путей расширения геометрических и динамических возможностей многостепенных многоцелевых роботов, имеющих механизмы параллельной структуры с многостепенными платформами, для использования в роботизированных комплексах различного назначения.

Для достижения указанной цели в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи.

1. Установление областей возможного использования робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, позиционируемых и ориентируемых изменением свободных участков тросов путем управления лебедками.

2. Формулирование и анализ требований к робототехническим манипуля-ционным системам параллельной структуры на основе подвесных платформ в зависимости от решаемых прикладных задач и условий функционирования.

3. Для типовых схем робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ с различным числом степеней подвижности геометрический синтез, в рамках решение прямой и обратной задач геометрического анализа.

4. Исследование распределений нагрузок на тросы робототехнических систем параллельной структуры на основе подвесных платформ для статических режимов в зависимости от параметров линейных перемещений и углов поворота.

5. Формулирование и формализация условий натяжения всех тросов подвеса и определение, исходя из этих условий областей возможных положений и углов ориентации платформы.

6. Разработка рекомендаций по размещению лебедок, исходя из требований обеспечения заданных рабочих зон и диапазонов углов поворота; выработка и обоснование предложений по расширению областей возможных положений и диапазонов углов поворота платформы.

7. Определение влияния растяжимости тросов подвеса платформ рассматриваемых робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на точность задания линейных перемещений и углов поворота.

8. Постановка, формализация и решение некоторых задач динамики робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.

9. Проверка на макете новых схемных решений робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Показано, что робототехнические манипуляционные системы параллельной структуры на основе шестистепенных подвесных платформ при размещении всех приводов на неподвижных основаниях позволяют осуществлять линейные перемещения по трем координатам и вращения вокруг трех осей.

2. Определены возможности механизмов робототехнических манипуля-ционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ последовательно с тремя, четырьмя, пятью и шестью степенями подвижности, для них проведен анализ рабочих зон, диапазонов линейных перемещений и углов поворота рабочих органов.

3. Показано, что для робототехнических манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ важны выбор мест расположения кинематических пар, по объединению шарниров и ориентации осей приводов; сформулированы и обоснованы предложения по выбору вариантов схем.

4. Разработаны основы методик силовых расчетов механизмов параллельной структуры для статических и динамических режимов работы.

5. Обоснован выбор критериев параметрической оптимизации конструкций манипуляторов рассматриваемого типа и сформулированы конкретные предложения по численному решению этих задач.

Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики манипуляторов исследовались с использованием методов аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач динамики на ЭВМ, использовались стандартные численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland С++ Builder», «Assembler» при составлении программ были использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad». Для разработки электронных схем сопряжения макета манипулятора с ЭВМ был использован пакет «Proteus Lite».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- разработана и обоснована методика построения границ рабочих областей механизмов манипуляторов параллельного типа с учетом ограничений по ходам приводов и непересечения элементов;

- выделена новая группа манипуляторов параллельной структуры с вращательными приводами и шарнирно-рычажными механизмами;

- предложен и обоснован способ ортогонализации схем манипуляторов параллельной структуры, допускающих упрощение управление систем управления при малых перемещениях и углах поворота;

- предложены и опробованы на модели способы управления приводами путем включения или выключения в определенные моменты времени без регулирования скорости;

- разработана оригинальная схема шестистепенного манипулятора с вращательными приводами, сформулированы конструктивные предложения по его совершенствованию.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях в Иркутском государственном университете путей сообщения, а также на IV Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях» в г.Пенза. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Практическая ценность работы. 1. Разработана инженерная методика расчета и компьютерная программа для выбора мест размещения лебедок манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ, исходя из необходимости перекрытия заданных зон.

2. Получены формульные зависимости для управляющих программ приводов систем лебедок.

3. Разработана методика и программа для определения точности отработки программных траекторий

4. Разработана классификация основных компонентов робототехниче-ских систем данного типа, которая может быть положена в основу специализированных баз данных.

Основной материал диссертации разбит на пять глав. В первой главе сначала определяется специфика робототехнических систем на основе подвесных многостепенных платформ. Структурно типовую подвесную шестистепенную платформу можно рассматривать, как обращенную платформу Стюарта. В отличие от роботов на жестких приводных звеньях рассматриваемые в диссертации системы на тросовых подвесах с управляемыми лебедками, которые заданием длин тросов осуществляют требуемые позиционирование и угловое ориентирование, позволяют получать очень большие перемещения (порядка десятков метров). Управление положением подвижной платформы осуществляется программным изменением длин тросов автоматическими приводами лебедок. Автором предложена многоаспектная классификация рассматриваемых систем по таким признакам, как функциональное назначение, тип рабочего пространства, способы создания натяжения тросов и т.д. Далее определяется круг прикладных задач, которые могут успешно решаться с помощью манипуляционных систем параллельной структуры на основе подвесных платформ. Наиболее перспективными представляются следующие сферы применения: погрузо-разгрузочные работы, монтаж различных конструкций, системы контроля и наблюдения (в закрытых помещениях, в открытых пространствах на воздухе и под водой), системы охраны и защиты, при имитации свободного полета над сценой театра и т.д. В заключение главы формулируются основные задачи исследования в диссертации: формулировка предложений по применению, анализ возможных принципиальных и схемных решениях робототехнических систем рассматриваемого типа и достигаемых преимуществах, разработка математического аппарата анализа геометрии механизмов робототехнических систем рассматриваемого типа, разработка методик определения границ рабочих зон, получение рекомендаций по рациональному размещению элементов подвеса, выявление источников первичных ошибок и анализ их влияния на ошибки, постановка и решение некоторых задач динамики робототехнических систем на основе подвесных платформ.

Во второй главе описываются математические модели робототехнических систем, построенных на основе многостепенных подвесных платформ. У рассматриваемых роботов параллельной структуры многостепенные механизмы квалифицируются, как пространственные, высших классов, с большим числом замкнутых контуров; их теория разрабатывалась в последние десятилетия. Проведен анализ типовых требований к робототехническим системам рассматриваемого типа, эти требования формулируются в виде критериев, которые используются при выборе схем и значений параметров; основные положения иллюстрируются примерами. Для механизмов шестистепенных платформ известен метод /-координат при получении геометрических соотношений, представляющих собой основу математической модели. Однако он неприменим для произвольных конфигураций. В главе предложен новый метод получения указанных геометрических соотношений для любого размещения точек закрепления тросов в общем случае на пространственной конструкции подвижной платформы.

Третья глава посвящена решению задачи разработки методики определения для шестистепенной платформы на тросовом подвесе области возможных положений в общем случае в шестимерном пространстве составляющих линейных перемещений и углов поворота. В отличие от платформы Стюарта на жестких приводных звеньях, для которой ограничения на перемещения преимущественно обусловлены ограниченностью длин звеньев и ходов, при подвесе на тросах определяющими являются условия натяжения всех тросов. Кроме того учитываются требования исключения особых положений и пересечения тросов. Разработанная методика определения участков границ области возможных положений построена на том, что в записанных уравнениях статики подвижной платформы поочередно приравниваются нулю усилия в тросах. Данная методика реализована в специализированной компьютерной программе. Требуемые размеры области возможных положений могут быть получены достаточно большим разнесением мест установки лебедок; значительное расширение области может быть получено добавлением к шести позиционирующим одного или нескольких тросов, задающих определенные усилия. В заключение главы рассматриваются задачи динамики подвижных платформ, которые могут решаться методом кинетостатики добавлением к числу действующих сил инерции.

В четвертой главе по преимуществу рассматриваются типовые, представляющие наибольший интерес варианты. Сначала охарактеризованы признаки, определяющие геометрию рабочей зоны, рабочего пространства, возможности расположения лебедок и особенности конфигураций рабочих зон. Затем сформулированы общие подходы к выбору вида и параметров схем систем подвешивания подвижных платформ. В основу принят такой подход, при котором по тем или иным критериям для номинального положения (среднего в рабочей зоне) осуществляется оптимизация. В качестве одного из критериев выбирается принцип близости к диагональной матрицы преобразования длин тросов к обобщенным координатам платформы. Как наиболее перспективная рассматривается ортогонализованная схема. Показано, что для подобной ортогонализованной схемы натяжение всех тросов обеспечивается только в прямоугольной системе координат, повернутой относительно плоскости горизонта. Как вспомогательная рассматривается плоская задача позиционирования плоской платформы. Значительный практический интерес представляет схема, в которой лебедки могут устанавливаться над рабочей зоной.

В пятой главе сначала обсуждаются принципы и способы управления манипуляционными системами рассматриваемого типа, предлагается алгоритм автоматического управления, не требующий больших вычислительных ресурсов. Особое внимание обращается на анализ использования в системах автоматического управления датчиков различных типов и принципов действия, измеряющих непосредственно координаты, их приращения или усилия натяжения в тросах. Формулируются задачи введения поправок в управляющие программы на растяжения тросов и другие влияющие факторы. В заключение главы приводятся сведения о созданном макете и результатах его испытаний. Предварительные испытания макета подтвердили правильность предлагаемых принципиальных и схемных решений.

По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Основные результаты, полученные в диссертации, можно формулировать следующим образом.

1. Предложена многоаспектная классификация робототехнических систем на основе подвесных платформ, которая может быть использована, как основа специализированной базы данных.

2. Показано, что рассматриваемые робототехнические системы могут быть использованы для погрузо-разгрузочных работ в нерасчлененных закрытых помещениях и на открытых площадках, для охраны, наблюдения и контроля. При этом в зависимости от конкретного назначения могут быть использованы различные датчики или информационно-измерительные системы. При принятии особых мер безопасности объектами переноса для рассматриваемых робототехнических систем могут быть люди. В качестве сил, обеспечивающих натяжение тросов, в открытых пространствах обычно выступают силы веса, но могут быть использованы аэростатические или гидростатические подъемные силы.

3. Установлено, что основные характеристики робототехнических систем рассматриваемого типа определяются четырьмя группами факторов: требованиями к заданию положения центра платформы, углов ее ориентации, возможностями использования для позиционирования и ориентирования сил тяжести, областями возможных положений объекта.

4. Для механизма робототехнической системы на основе шестистепен-ной платформы предложен и проработан новый метод составления исходных геометрических соотношений, при котором в отличие от известного метода /-координат допускается произвольное пространственное распределение точек закрепления тросов на подвижной платформе.

5. Важнейшей характеристикой многостепенной робототехнической системы рассматриваемого типа является область возможных положений платформы в шестимерном пространстве линейных координат и углов поворота для пространственной задачи и в трехмерном пространстве - для плоской задачи.

6. При определении областей возможных положений систем на основе подвесных платформ учитываются условия неотрицательности усилий (натяжений) тросов, условия непересечения приводных звеньев, требования исключения особых положений.

7. Показано, что условия неотрицательности натяжений тросов получаются из уравнений статики, при составлении которых в качестве основных геометрических параметров целесообразно рассматривать направляющие косинусы. Участки границ области возможных положений получаются из условий поочередного обращения в нуль усилий в тросах.

8. Учитывается, что может быть существенным фактор возбуждения колебаний тросов при движении платформы. Рекомендован разработанный метод последовательных приближений, при котором сначала рассчитывается динамика платформы без учета тросов, затем при кинематическом задании воздействий рассчитываются колебания тросов, и после этого определяются дополнительные силы воздействия на платформу.

9. Как наиболее перспективные следующие виды схем подвешивания: близкие к осесимметричным, ортогонализованные, плоские; для них проведены самостоятельные исследования.

10. Получены обоснованные рекомендации по схеме подвешивания платформы, размеры которой малы по сравнению с рабочей зоной, показано, что целесообразно начинать с выбора ориентации направлений тросов в номинальном положении; при этом свойства подвеса определяются матрицей связи приращений длин тросов и обобщенных координат платформы.

11. Установлено, что при построении схем подвеса, ортогонализован-ных в горизонтально-вертикальной системе координат, всегда необходимы дополнительные тросы; дополнительные тросы можно не вводить, если использовать ортогональность осей в прямоугольной системе координат, оси которой наклонены к плоскости горизонта.

12. Показано, что достаточно практичными и в то же время приспособленными для анализа свойств являются схемы подвешивания, близкие к осе-симметричным; возможности изменения углов поворота платформы зависят от углов расхождения тросов подвеса.

13. Для определенных приложений могут быть перспективными комбинированные системы подвешивания платформ с последовательно-параллельным соединением звеньев и системы, в которых сочетаются жесткие приводные звенья в виде гидроцилиндров и гибкие звенья в виде тросов.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

А1. Чистяков А.Ю. Структура, схемы и математические модели робототехнических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2005, выпуск 4.

А2. Чистяков А.Ю. Возможности и перспективы применения робототехнических систем на основе подвесных многостепенных платформ. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2006, выпуск 1.

A3. Чистяков А.Ю. Схемы подвеса платформ многостепенных робототехнических систем с механизмами параллельной структуры. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2006, выпуск 1.

А4. Мархадаев Б.И., Чистяков А.Ю. Полициклоидные мехатронные системы: компоновочные структуры, топология структур и траекторий, механика, управление и применение. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2004, выпуск 4.

А5. Мархадаев Б.И., Чистяков А.Ю. Манипуляционные мехатронные устройства при обслуживании высокопроизводительного оборудования. // Современные технологии, системный анализ, моделирование. Научный журнал. / Иркутск: ИрГУПС. - 2004, выпуск 4.

А6. Чистяков А.Ю. Роботизированные системы с механизмами параллельной структуры на основе подвесных платформ. // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях». / Пенза: Изд-во РИО ПГСХА, 2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: изд. МГТУ им.

2. Н.Э.Баумана, Высшая школа, 2000.

3. Альван X. М. Динамика и управление движением робототехнических систем с избыточными входами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПбГПУ, 2003.

4. Альван Х.М., Слоущ А.В. Об управлении движением пространственной платформы с несколькими степенями подвижности. // Сб. «Теория механизмов и машин», СПб: изд. СПбГПУ, 2003, № 1.

5. Альван Х.М., Слоущ А.В. Декомпозиция задачи силового анализа многоподвижного механизма параллельной структуры. // Сб. «Теория механизмов и машин, 2005, № 1.

6. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации. /Под ред. В.Г.Пешехонова. ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999.

7. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.

8. Артоболевский. И.И. Механизмы в современной технике. Справочное пособие для инженеров, конструкторов, изобретателей. В 7-ми томах. М.: Наука, 1979.

9. Афонин В.Л., Крайнев А.Ф., Ковалев В.Е., Ляхов Д.М., Слепцов В.В. Обрабатывающее оборудование нового поколения. Концепция проектирования. М.: Машиностроение, 2001.

10. Баранов В.А. и др. Определение степени натяжения арматуры, тросов и канатов. Воронеж: Изд. Воронежского университета, 1980.

11. Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука, 1990.

12. Белянин П.Н. Робототехнические системы для машиностроения. М.: Машиностроение, 1986.

13. Белянин П.Н. Кинематические схемы, системы и элементы промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1992.

14. Белянин П.Н. Состояние и развитие техники роботов. П Проблемы машиностроения и надежность машин. РАН, 2000, № 2.

15. Боголюбский В.В. и др. Проволочные канаты. М.: Металлургиздат, 1950.

16. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992.

17. Букштейн М.А. Производство и использование стальных канатов. М.: Металлургия, 1973.

18. Букштейн М.А. Стальные канаты. Справочное руководство. М.: Металлургиздат, 1961.

19. Бурдаков С.Ф. Элементы теории роботов /механика и управление. Учебное пособие. -JL: изд. ЛПИ, Ленинград, 1985.

20. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высш. шк., 1986.

21. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины. 4-ое изд. М.: Машиностроение, 1989.

22. Великович В.Б., Жаппаров Н.Ш., Кагановский И.П. Робототехника в России. М.; 1992.

23. Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов. Л.: Машиностроение, 1969.

24. Вейц В.Л., Коловский М.З., Кочура А.Е. Динамика управляемых машинных агрегатов. М.: Наука, 1984.

25. Ветров Ю.А. Современные карьерные экскаваторы. 2-ое изд. М.: Недра, 1971.

26. Волков А.Н., Гончаров Б.Н., Дьяченко В.А., Клюкин В.Ю. Целевые механизмы автоматов. Учебн. пособие. Л.:ЛПИ, 1988.

27. Волков А.Н. Смородов А.В., Челпанов И.Б. Построение сечений рабочей области платформы Стюарта //Сб. докладов международной конференции МТ'04 Варна, Болгария 2004.

28. Волков А.Н. Шестистепенные подвесные платформы и их исследование. СПб: изд. СПбГПУ, 2006.

29. Волков А.Н., Мархадаев Б.Е. Перспективы создания погрузочно- разгрузочного оборудования на базе шестистепенных платформ. Иркутск: ИрГТУ, 2006.

30. Волков А.Н. Проектно-конструкторское обеспечение спектаклей современного театра. / СПб: Конструктор-машиностроитель, 2005, № 6.

31. Воробьев Е.И. Диментберг Ф.М. Пространственные шарнирные механизмы М:. Наука, 1991.

32. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-е изд. М.: Наука. Гл. Ред. Физ.-мат. лит., 1988.

33. Глазунов В.А., Крайнев А.Ф., Рашоян Г.В., Трифонова А.Н. Планирование траекторий и построение рабочих зон механизмов параллельной структуры с учетом особых положений. // Сб. Проблемы Машиностроения и надежности машин. 1998, № 5.

34. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. Пространственные механизмы параллельной структуры. М.: Наука, 1991.

35. Глазунов В.А., Крайнев А.Ф., Рашоян Г.В., Трифонова А.Н., Есина М.Г. Моделирование зон особых положений механизмов параллельной структуры. // Сб. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2000, №2.

36. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. Киев: Техшка, 1966.

37. ГОСТ 25686-85 Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения.

38. ГОСТ 3241-91 Канаты стальные. Технические условия.

39. Грузозахватные устройства. Справочник. / Ю.Т.Козлов, А.М.Обермей-стер, Л.П.Протасов и др. М.: Транспорт, 1980.

40. Грузоподъемные машины. / М.П.Александров, Л.Н.Колобов, Н.А.Лобов. М.: Машиностроение, 1986.

41. Диментберг Ф.М. Теория пространственных шарнирных механизмов. М.: Наука, 1982.

42. Диментберг Ф.М., Саркисян Ю.Л., Усков М.К. Пространственные механизмы. Обзор современных исследований. М.: Наука, 1983.

43. Добролюбов А.И. Механизмы на гибких и упругих элементах. Минск: Наука и техника, 1984.

44. Домбровский М.Г. Экскаваторы. М.: Недра, 1969.

45. Евграфов А.Н., Евграфова Е.А., Слоущ А.В. Управление движением плоской платформы с избыточными входами. Конференция по машинам и аппаратам текстильной и легкой промышленности, посвященная 60 летию мех-маш ф-та СПбГТУ, СПб, 1998.

46. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления. СПб.: Политехника, 2003

47. Жавнер В.Л., Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1975.

48. Зенкевич СЛ., Ющенко А.С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами : Учеб. пос. для вузов М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.

49. Знаменский И.С. Автоматизация демонстрационных устройств. Кандидатская диссертация. СПбГПУ, 2002.

50. Иванов А.А. Гибкие производственные системы в приборостроении. М.: Машиностроение, 1988.

51. Иванченко Ф.К. Конструкция и расчет подъемно-транспортных машин. 2-ое изд. Киев: Вища школа, 1988.51.52,53,54,55,56,57,58