автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Робототехнические и мехатронные системы театральной машинерии

' J

На правах рукописи

ВОЛКОВ Андрей Николаевич

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕАТРАЛЬНОЙ МАШИНЕРИИ

Специальность 05 02 05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003162920

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Дьяченко Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Игнатьев Михаил Борисович, доктор технических наук, профессор Кулаков Феликс Михайлович, доктор технических наук, профессор Тисенко Виктор Николаевич Ведущая организация. ЗАО «Научно-технический центр «Ровер» им А Л Кемурджиана», г Санкт-Петербург

Защита состоится 13 ноября 2007 г в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212 229 12 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , д 29, 1-й учебный корпус, ауд 41

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан «77 » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 229 12 кандидат технических наук, профессор гу?^^-) Евграфов А Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Постановки опер и балетов, обустройство и оснащение сцены в ведущих театрах мира всегда базировались на передовых технических достижениях В настоящее время процесс создания декораций и проведения спектакля характеризуется глубокой взаимной интеграцией художественного и технического начал

Перед постановщиками спектаклей обычно стоят три фундаментальные проблемы Во-первых, это создание выразительных динамичных сцен с движущимися или летающими чудовищами, подвижными антропоморфными и зооморфными роботами, стилизованными под мифологические и фантастические персонажи, с разрушающимися стенами, обру-шающимися потолочными сводами, качающимися и разбивающимися о скалы или разламывающимися на волнах кораблями, и т п Во-вторых, это реализация переходов от одной картины к другой со значительными изменениями обстановки сцены в кратковременных паузах и в антрактах, что позволяет увеличить количество декораций спектакля и повысить динамичность театрального действия В-третьих, это обеспечение коротких сроков монтажа-демонтажа декораций в современном репертуарном театре, когда утром и вечером проводятся разные спектакли, и смена оформления сцены должна осуществляться в короткие интервалы времени

Обозначенные технологические проблемы трансформируются в комплекс научно-технических проблем

- разработка принципов и конкретных приемов построения структурно-гибких сценических робототехнических и мехатронных комплексов для реализации требуемого постановщику синхронизированного взаимодействия подвижных фрагментов декорационного оформления, светового оборудования, оркестрантов, актеров и технического персонала,

- разработка научных основ проектирования структурно-гибких робототехнических и мехатронных сценических комплексов и их компонентов

Основной тенденцией развития театральной машинерии является увеличение плотности заполнения сценического пространства современными техническими системами, имеющими многочисленные подвижные части со встроенными механизмами и приводами, а также многоуровневые системы автоматизированного управления

При существующей системе производства и эксплуатации не автоматизированной театральной машинерии уже сейчас практически в каждом спектакле возникают «накладки», а коллективы, осуществляющие обслуживание сценической техники, работают на пределе физических

возможностей Известно, что многие интересные художественные замыслы в оснащении сцены не воплощены в театрах из-за отсутствия научно обоснованного подхода к проектированию, производству и эксплуатации сценической техники

Анализ тематики театральной машинерии в целом и изучение накопленного опыта ее создания и эксплуатации указывают на необходимость опережающей разработки новых принципиальных, схемных и конструктивных решений как самой сцены, так и сценических робототехнических и мехатронных систем Они должны вытекать из обобщения достижений передовой мировой театральной техники, соответствовать конкретным потребностям технического оснащения и стилистике тех театральных представлений, на которые ориентированы Важной составляющей здесь является создание структурно-гибких роботизированных комплексов, обеспечивающих высокий уровень адаптации техники к разнообразным сценическим задачам Этому должна предшествовать глубокая научная теоретическая проработка рассматриваемой тематики с использованием методов теоретической и аналитической механики, теории упругости и мехатроники на соответствующих математических моделях До сих пор механика, мехатроника и робототехника театральной сцены не были объектом комплексных научных исследований

Обозначенные фундаментальные проблемы должны решаться путем создания единого демонстрационного пространства на базе структурно-гибких модульных робототехнических и мехатронных систем

На основании разработанных автором теоретических положений в диссертации изложены научно обоснованные технические решения по расчету и проектированию робототехнических и мехатронных систем, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие театральной культуры страны и выведение ее на передовые рубежи мирового искусства

Целью диссертации является разработка и развитие научных основ теории и методологии проектирования сценических мехатронных и роботизированных систем переменной структуры, и их применение к созданию новых театральных сцен и постановок в ведущих оперно-балетных театрах России

Задачи исследования:

1 Систематизация опыта создания и эксплуатации театральной машинерии

2 Анализ принципов организации пространства сцены современного театра, механизмов, систем приводов, несущих конструкций декораций и различных подвижных объектов наиболее распространенных типов

3 Определение перспективных направлений и принципов развития робототехнических и мехатронных систем для сцены театра, разработка комплексных требований к их проектированию

4 Разработка и исследование на математических моделях сценических роботов с параллельными кинематическими цепями, анализ конфигураций и размеров их рабочих зон

5 Создание теории сценических роботов С параллельными кинематическими цепями, приводимыми в движение программно управляемыми лебедками, и решение задач статического и квазистатического равновесия выходного звена с учетом требований неотрицательности натяжения канатов

6 Разработка научных основ и методологии комплексного проектирования роботов, робототехнических комплексов и мехатронного сценического оборудования для современного театра

7 Многоаспектная систематизация задач имитации эпизодов разрушений и катастроф, построение математических моделей и выработка рекомендаций по созданию соответствующих мехатронных модулей на базе электромеханических приводов

На защиту выносятся следующие основные положения:

1 Структурно-гибкие робототехнические и мехатронные системы должны являться фундаментальной основной современной театральной машинерии

2 Создание технического оснащения современной сцены и обеспечение его функционирования должны базироваться на соответствующем теоретическом обосновании, системном подходе к проектированию и обобщении опыта построения как современной театральной машинерии, так и лучших аналогов технического назначения

3 Применение принципов автоматизированного и супер-визорного управления структурно-гибкими робототехническими и мехатронными комплексами обеспечивает решение проблемы синхронизации взаимодействия технических средств, актеров, оркестра и операторов во время спектакля

4 Сценические робототехнические системы с параллельными кинематическими цепями и с различным числом степеней подвижности - от одной до шести - являются наиболее перспективными для автоматизации

перемещения декораций или их элементов по пространственным траекториям в пределах от 0 2 до 1,5 м

5 Робототехнические системы, реализованные по схеме подвесной платформы, параметры движения которой задаются автоматизированными канатными лебедками, расположенными на большом удалении от сцены, целесообразно применять для реализации сложных пространственных траекторий в пределах от 1,5 до 12,0 м

6 Сцены катастроф и разрушений целесообразно воспроизводить на базе мехатронных модулей для имитации пластических деформаций и правдоподобного фрагментирования конструкций с предварительным моделированием движения фрагментов в режиме анимации

7 Антропоморфные и зооморфные демонстрационные роботы с параллельно-последовательными кинематическими цепями обеспечивают правдоподобную подвижность частей тела, реализацию различных сценических поз и перемещений в пространстве

Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики объектов технического оснащения сцены - специальных робототехнических и мехатронных систем - исследовались методами аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики При решении задач динамики использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland С++ Builder», при составлении программ использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad»

Научная новизна диссертации заключается в следующем

1 Разработаны многоаспектные классификации технического оборудования сцены как сценических робототехнических и мехатронных систем, определены основные задачи их исследования

2 Обобщены комплексные требования к сценическим робототехни-ческим и мехатронным системам, определены основные особенности построения сценического пространства, сформулированы формализованные ограничения на параметры движения объектов декорационного оформления

3 Предложена концепция структурно-гибкой робототехнической системы для современного театра, обеспечивающая автоматизированное размещение мехатронного оборудование в пределах сценической коробки в зависимости от сценографии спектакля

4 Сформулированы принципы многоуровневого управления современным спектаклем в театре как в человеко-машинной робототехнической системе

5 Предложен способ построения параллельных и параллельно-последовательных кинематических цепей модульных манипуляторов роботов, основанный на замене приводных звеньев переменной длины звеньями постоянной длины

6 Показано, что замена классической плоской шестистепенной платформы Стюарта манипуляторами, у которых выходное звено представляет собой твердое тело, а шарниры приводных звеньев расположены в пространстве, а не в плоскости, значительно расширяет возможности задания перемещений

7 Разработаны научные основы и методология анализа области возможных положений для сценических роботов с параллельными кинематическими цепями с различным числом степеней подвижности

8 Предложены научно обоснованные принципы построения сценических роботов с гибкими параллельными кинематическими цепями на базе автоматизированных канатных театральных лебедок, разработана методика решения статической задачи о распределении усилий по канатам и предложен метод определения границ области возможных положений выходного звена в шестимерном пространстве исходя из условий поочередного обращения в нуль усилий в канатах

9 Разработан метод определения допустимых в динамике перемещений подвижной шестистепенной платформы и оценены изменения области возможных положений

10 Предложены принципы имитации сцен катастроф и разрушения применительно к условиям современного театра, сформулированы и решены модельные задачи процессов разрушения типовых элементов конструкций

11 Разработана методология проектирования антропоморфных и зооморфных демонстрационных роботов, включая выбор кинематических схем и способа задания движений с помощью автоматических приводов

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном конгрессе МТ 04 в Варне (Болгария), на III международной конференции по проблемам механики современных машин в Улан-Удэ (2006), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике в Нижнем Новгороде (2006), на Всероссийской научно-технической конференции по мехатро-

нике, автоматизации и управлению во Владимире (2004), на Всероссийских и международных научных конференциях и семинарах в СПбГПУ и ЦНИИ РТК (СПб), на секции технической кибернетики Дома ученых им М Горького (СПб) По результатам диссертационной работы опубликовано 27 печатных работ, из них одна монография и 6 - в периодических изданиях, входящих в перечень ВАК

Практическая ценность диссертации заключается в том, что на основании обобщения опыта создания сценической машинерии и разработанных научных и методологических основ проектирования средств театральной мехатроники и робототехники осуществлены проекты новых современных театральных сцен и технического оснащения спектаклей ведущих театров страны

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и приложений Объем диссертации составляет 348 страниц текста, в который входит 84 рисунка

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту

Первая глава представляет собой аналитический обзор принципов построения и оборудования театральной машинерии Констатируется малочисленность фундаментальных трудов по технике сцены, которые интегрировали бы знания в этой области, хотя научно-технические достижения здесь в отдельные эпохи не уступали военной технике На русском языке по технике сцены имеются обобщающие труды только одного автора В В Базанова «Техника изготовления театральных декораций» (1959), «Сцена, техника, спектакль» (1963), «Техника и технология сцены» (1976), «Технология сцены» (2005) К сожалению, наиболее сложные явления в театральной машинерии в этих монографиях лишь названы, конструктивные схемы приведены только некоторых типовых технических устройств, а научная и даже просто расчетная проблематика полностью отсутствует

В последнее годы при создании декораций применяются автоматические и автоматизированные устройства, комплектные автоматизированные управляемые электроприводы и гидроприводы Машинерия сцены определяется техническими и финансовыми возможностями, вкусами эпохи, характером сценического действа, стилистикой постановки, време-

нем, выделенным на создание спектакля и, в наибольшей степени, замыслом постановщиков

В механизации и автоматизации планшета сцены следует выделить три направления создания и совершенствования подвижных оснований декораций и их фрагментов подъемно-опускные устройства, вращающиеся круги и кольца, накатные площадки Основной особенностью оперно-балетных театров является наличие перед сценой оркестровой ямы, оснащенной одной или несколькими подъемно-опускными площадками Такие же площадки встраивают и в планшет сцены Они покрывают площадь до 250 м2 Грузоподъемность площадок достигает 2,5 кН/ м2, величина хода -6 м, скорость движения - 0,2 м/с, а погрешность позиционирования - 1 5 мм

Поворотный круг определяет важное направление механизации сцены Часто на сцене реализуются системы нескольких поворотных кругов разных размеров Малые поворотные круги размещаются на неподвижном планшете или большом поворотном круге Иногда на сцене в дополнение к кругу устанавливается концентрично с ним поворотное кольцо Диаметры современных театральных кругов достигают 16 м (при этом часто круг выполняется модульным с возможностью изменения диаметра), несущая способность - 5,0 кН/ м2, скорости на периферии - 1 м/с, погрешности позиционирования по наружному периметру - 5 мм

Фуры прямоугольной формы в составе сценического оборудования часто перемещаются по направляющим Их размеры достигают 16 х 4 м, грузоподъемность - 320 кН, скорости - 0,1 м/с, а точность позиционирования - 2 4 мм Кроме того, фуры используются как принадлежность конкретных спектаклей при имитации движущихся объектов (кораблей, автомобилей и пр), для изменения композиции декораций на сцене или при монтаже (демонтаже) спектакля Фуры обычно выполняют на мягком колесном ходу и в отдельных случаях оснащают автономным электроприводом и дистанционным управлением В таком исполнении их следует классифицировать как локомоционные роботы Размеры таких роботов могут достигать 12 х 4 м, грузоподъемность - 40 кН, скорость - 0 4 м/с, а погрешность позиционирования 100 мм

Некоторые подвижные декорации со встроенными механизмами, оснащенными современными приводами и системами управления, новых спектаклей ведущих театров России с полным основанием могут быть классифицированы как сценические демонстрационные роботы, антропоморфные, зооморфные или локомоционные Максимальный габаритный

размер таких роботов может достигать в длину 12 м, масса - 600 кг, количество встроенных механизмов с приводами - 16, точность позиционирования - 50 мм

Горизонтальная поверхность планшета приемлема не для всех постановок Традиционным для театра является формирование рельефа сцены с помощью временно устанавливаемых станков - стационарных конструкций с художественной облицовкой С начала XX века ставились задачи трансформирования поверхности сцены с помощью приводов До сих пор идеи управляемого формирования рельефа сцены (в том числе и на глазах зрителей) реализованы лишь в небольшой степени На основании обобщения большого эмпирического материала в диссертации разработана многоаспектная классификация технических устройств для автоматизированного изменения рельефа сцены Концептуально проработан принцип построения сценических конструкций изменяемой геометрии, состоящих из автоматизированного привода и шарнирно соединенных плоских щитов, позволяющих создавать многогранную поверхность с изменяющимся наклоном плоских участков

В начале XXI века в театрах получило широкое распространение подвижное и трансформируемое крупномасштабное оборудование, устанавливаемое на сцене К числу таких устройств относятся большие ворота с раскрывающимися и закрывающимися створками, сборно-разборные конструкции, фрагменты которых подобны ящикам, раскладные конструкции типа ширмы Исполнительные механизмы таких технических средств, оснащенные приводами и программируемыми системами управления, следует классифицировать как сценические роботы-трансформеры

О масштабах современных демонстрационных комплексов можно судить, например, по техническому проекту новой сцены Мариинского театра, который предусматривает оснащение сцены 654 механизмами с электроприводами и многоуровневой системой управления Мощность каждого из приводов будет составлять от 0 75 до 50 кВт, а их суммарное энергопотребление - 4114 кВт Общая масса, которая может подниматься и перемещаться в сценической коробке этим комплексом, составит 657000 кг В это же время в специализированном демонстрационном робототех-ническом комплексе тетралогии Р Вагнера «Кольцо нибелунга» Государственного Академического Мариинского театра (постановка Г Ципина, 2003 г) используется 168 механизмов с электроприводом суммарной потребляемой мощностью 42 кВт и общей массой 11000 кг

Совокупность робототехнического сценического комплекса, помощника режиссера (главный координатор по ведению спектакля), дирижера, оркестрантов, артистов и техников-операторов в диссертации рассматривается как сценическая человеко-машинная система На рис 1 представлена схема взаимодействия элементов такой системы Элементы и взаимодействия, определяющиеся понятием «человеческого фактора», обозначены тонкими линиями

На основании анализа известного театрального оснащения сформулированы новые научно-технические проблемы в области развития театральной машинерии

Вторая глава посвящена анализу сценического пространства и постановке задач построения структурно-гибкого демонстрационного робототехнического комплекса театра В качестве примера на рис 2 представлен продольный разрез новой сцены Государственного Академического Мариинского театра Зрительный зал справа Объем видимой из зала зоны обслуживания сценической демонстрационной робототехнической системы (открытое сверху пространство сцены за занавесом) составляет 12000 м3 Он в семь с половиной раз меньше объема, занятого оборудованием робототехнического комплекса (рабочая зона, значительная часть которой занята системами подвешивания), составляющего 91500 м3 Структура сценического робототехнического комплекса представлена на рис 3 Основные трудности создания и функционирования оборудования сцены связаны с обеспечением требуемой подвижности сценических объектов Наиболее ответственным во всех отношениях является верхнее оборудование сцены, построенное как система подвешивания объектов декорационного оформления над планшетом сцены Для декораций основной и наиболее эффективной является система подвешивания с помощью канатов, на штанкетных подъемах или на тельферах индивидуальных подъемов, в настоящее время они обычно оснащены приводами с программным управлением Размещение электромеханических лебедок на потолочных балках, на галереях и на стенах при использовании канатных передач предоставляет достаточно широкие возможности смены положений и перемещения различных объектов на сцене Однако на положение точек подвеса декораций накладываются ограничения, обусловленные расположением несущих конструкций здания театра, поскольку именно на них монтируются лебедки, тельферы или отводные блоки Так, например, в Государственном Академическом Мариинском театре расстояния между поперечными несущими конструкциями перекрытия составляет 4 м и это оз-

падает, что по ширине сцены несущие канаты могут располагаться с таким же шагом. Проблема обеспечения необходимой коифт уращт системы подвешивания должна решаться путем установки дополнительных Несущих конструкций или траверс, ib основе этого традиционного для театра способа взаимодействия при йодов с подвижными объектами в главе 5 предложено новое для сцены многостепенное устройство на канатном подвесе и разработана его теория. Сложная организация пространства сцены и динамичная сменяемость состава робототехнических комплексов то временного попы lio го театра требует единообразного, четкого.

1 ■ TI РТ

[дирижер i. ъ .- <

ю

Всп о могзте л tu ые помещения

ЛМ1'

¿L

_

сто с

спо

РпО.

Колосникоеоё

пространстве Сценическое

простр анство

Трюм

Гис.2.

-1ВЕРХНЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ СЦЕНЫ |

ОБОРУДОВАНИЕ СЦЕНЫ |— ОБОРУДОВАНИЕ СПЕКТАКЛЯ

шекорационные штанкетные подъемы-

—[индивидуальные точечные подъемы ~

—(софитные подъемы ~

—i панорамы

~|АНТРАКТНО раздвижные занавесы ~

—|дороги~

—i антропоморфные прмонг.тра11ионныр роботы '

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ РОБОТЫ I-

—| зооморфные демонстрационные роботы —| роботы-трансформеры

1

-|лОКОМОЦИОННЫЕ РОБОТЫ

—| портальные башни~

н пожарные занавесы

■{НИЖНЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ СЦЕНЫ

чроботы с гибкими коммуникациями -¡мобильные радиоуправляемые роботьг

чподъемно опускные площадки

Закатные площадки

-компрнс.мпры

1люки провалы

—1поворотныи круг

Рис 3

^поворотное кольцо

формализованого геометрического описания Оно необходимо для разработки сценического демонстрационного роботизированного комплекса, для компьютеризации управления движением объектов на сцене, для оптимальной организации сборочно-монтажных и наладочных работ при подготовке спектакля и перемене декораций В результате проведенного анализа выявлены следующие специфические особенности организации сцены театра, рассматриваемой как общее рабочее пространство для функционирования демонстрационных роботов и робототехнических комплексов

- в пространстве сцены и прилегающих помещений характерна высокая концентрация сменных, движущихся объектов,

- для предотвращения конфликтных компоновочных ситуаций подвижные декораций и их фрагменты следует размещать в плоскостях, параллельных порталу сцены,

- при проектировании сценической машинерии предпочтение отдается устройствам вертикального перемещения декораций,

- приводы, расположенные в удалении, требуют использования передач с гибкими связями,

- применительно к процессам, происходящим на сцене, актуальной стала задачи повышения быстродействия оборудования,

- современная сценическая машинерия требует контурного программного управления подвижными декорациями с обеспечением его адаптации в режиме оп-Ьше к перемещениям и к музыкальному сопровождению,

- человеко-машинный комплекс, построенный на базе робототехни-ческой и мехатронной систем, должен обеспечивать безусловную безопасность актеров и оркестрантов, являющихся его неотъемлемой компонентой

С учетом перечисленных особенностей применительно к конкретным постановкам сформулированы принципы построения алгоритмов управления

В третьей главе рассмотрены научные и технические проблемы автоматизированного формирования рельефа сцены в робототехнических сценических комплексах и предлагается классификация его видов Рельеф может быть как стационарным, так и динамически меняющимся в процессе сценического действия Стационарный рельеф тоже целесообразно выполнять трансформируемым, поскольку обычно окончательная концепция оформления сцены формируется после нескольких репетиций и окончательное решение может отличаться от первоначального художественного замысла

Предложены следующие способы автоматизированного формирования рельефа

- «вытягивание» рельефа из плоской выкройки,

- «вытягивание» рельефа из плоской выкройки, выполненной из эластичного материала,

- создание рельефа из объемных, перемещающихся в горизонтальной плоскости станков с пространственной конфигурацией,

- создание рельефа из объемных многоярусных станков (ярусы имеют возможность смещаться один относительно другого),

- формирование рельефа путем раздвижения телескопических конструкций,

- поворот плоских щитов относительно произвольно ориентированной оси

Конструкция, образующая поверхность рельефа сцены, в совокупности с автоматизированным приводом или приводами и соответствующей системой управления рассматривается как мехатронная система

В работе предложены различные варианты реализации привода таких систем на базе стационарного оборудования сцены (штанкетных декорационных подъемов и стационарных подъемно-опускных площадок), мобильного оборудования сцены (мобильных индивидуальных подъемов и подъемно-опускных площадок), специальных встраиваемых механизмов с электромагнитными двигателями и локомоционных роботов с программным или супервизорным управлением В первом случае мехатронные модули обеспечивают взаимодействие между элементами, образующими рельеф (при этом допускается свободное скольжение или качение элементов по планшету) Во втором случае локомоционные роботы с установленными на них декорированными станками перемещаются по плашИету, изменяя его рельеф Предложены принципы построения кинематических схем и методика определения рациональных конструктивных параметров сценических локомоционных роботов Для мехатронных модулей с электромагнитным приводом предложена научно обоснованная методика проектирования последнего по критерию быстродействия

В заключении главы даны типовые принципиальные и кинематические схемы и решения по построению и управлению мехатронных систем для трансформирования рельефа сцены

В четвертой главе решаются проблемы научно обоснованного выбора кинематических схем и разработки математических моделей роботов с параллельными кинематическими цепями, которые наилучшим образом подходят для театральной сцены, когда требуется задавать сложные линейные и комбинированные (линейные и угловые) пространственные перемещения различных объектов

Разработаны различные способы задания положения звеньев таких роботов Предпочтительным является задание угловой ориентации звеньев роботов матрицами направляющих косинусов При этом имеет место избыточность переменных, но основное преимущество метода заключается в линейности исходных геометрических соотношений, которые дополняются квадратичными уравнениями связей В главе констатируются недостатки распространенных методов составления исходных геометрических соотношений Показано, метод /-координат, предложенный А Ш Колискором, целесообразно применять только для частных случаев, когда шарниры приводных звеньев подвижной платформы и неподвижного основания лежат в двух плоскостях

В диссертации рассмотрен общий случай произвольного расположения в пространстве шарниров приводных звеньев робота с параллель-

ными кинематическими цепями Предложен метод описания параметров положения и угловой ориентации платформы робота, основанный на использовании геометрических соотношений между координатами шарниров, вытекающий из неизменности взаимного положения всех точек выходного звена как жесткого тела Рассматривается прямая задача геометрии заданы параметры положения выходного звена робота и определяются длины звеньев Исходным является векторное уравнение

р + г, = /?, + /,, (1)

где р - радиус-вектор центра платформы, г, - радиус-вектор /-го шарнира на платформе, Я, — радиус-вектор 1-го шарнира на основании, I, — радиус-вектор г-го звена В матричном виде это уравнение имеет вид

р+ />, = *,+ /, , 0=1, 6) (2) где Г - квадратная матрица преобразования (направляющих косинусов уу системы ОХУ2 в системе ОоХпУ^0, а г, = [х,, у,, г,]т

В проекциях на оси системы координат ОоХцУ^о получается система из 18 уравнений относительно 18 проекций векторов /,

/,х0=Х0-Л1х0+У1|Х, +У12 у,

(,У0 = Уо- Яу0+У21 -X. +722 у, + 723 г,, (3)

/,20 =г0-Л^о+Уз!*, +7327. + 7зз г, 0=1, 6) Проекции длин г-го звена определяется выражением

и=(и2+1ф+и2)/г (4)

При положении выходного звена (платформы), заданном координатами центра и матрицей преобразования Г, решение прямой задачи геометрии, т е определения длин звеньев, осуществляется при последовательном использовании уравнений (2), (3) По углам Крылова или по элементам кватерниона определяются все элементы матрицы Г По формулам (3) определяются все проекции /1Хо, /|уо, Аго для шести звеньев, а потом по формулам (4) - сами длины /, Поскольку уравнения (3) линейны, то при отсутствии дополнительных ограничений решение прямой задачи существует и оно единственно Полученное решение необходимо проверять по ограничениям на длины /„ определяемым ходами приводов Направляющие косинусы г-го звена с осями этой системы вычисляются по формулам Р,1 = /,хо//,, Р,2=/1уо//,, р,з = 4о//, (5)

Уравнения осей г-го приводного звена записываются в системе координат ОоХц У ¡¡¿а в параметрической форме следующим образом

х, = Я,хО + (/ 1x0 5)//, , У, = Л,уО + (ЛуО , = Л,20 + (/ко •*)//, (6)

Применительно к общему случаю расположения шарниров как наиболее перспективному, предложен метод геометрического анализа, основанный на использовании в качестве переменных направляющих косинусов углов ориентации звеньев как основных параметров положения При этом число переменных вдвое превышает число степеней подвижности, поэтому в общую систему включаются дополнительные уравнения связей переменных

Предложен и второй способ решения задачи, основанный на использовании системы дополнительных неизвестных - параметров угловой ориентации (направляющих косинусов) для всех звеньев При этом длины звеньев предполагаются заданными Всего вводится 18 неизвестных, частично зависимых (через условия нормировки), поэтому независимыми являются только 12 из них Координаты верхнего шарнира в неподвижной, базовой системе координат определяются формулами

*,п = Д,хо + АР.1 > У,п = Д,уо + I, Р.2 , г,о = Л12о + /, Р,з (7)

Здесь первый индекс - номер звена, второй - номер оси, относительно которой определяется ориентация Из трех направляющих косинусов независимыми являются два, третий вычисляется через условие нормировки Эти выражения записываются для верхних шарниров всех звеньев С другой стороны, на координаты тех же точек налагаются условия (6) того, что верхние шарниры принадлежат подвижному звену робота Эти условия инвариантны относительно системы координат и поэтому в неподвижной системе имеют вид

Ь,3 2 = (х,о - х}0)2 + (у,о - У10)2 + (2,0 - г,0)2 (8)

Из параметров Ьч независимыми являются 12 После подстановки (7) в (8) получается система из 12 уравнений (8) и шести уравнений нормирования относительно восемнадцати неизвестных - направляющих косинусов р,1, (3,2, Р,3 0 =1 6) В данном случае задача определения угловой ориентации приводных звеньев решалась без использования данных о положении робота, а только по задаваемым длинам этих звеньев По исходной формулировке метод решения соответствует обратной задаче геометрии (длины звеньев считаются заданными), число уравнений и неизвестных здесь больше, чем при использовании первого метода При малых приращениях А/, длин /, относительно номинальных значений /,0> зависимости могут быть линеаризованы

Пример построения сечений области возможных положений (ОВП) для центра платформы робота при поступательных перемещениях (при

сохранении поминальной угловой ориентации) и при ограничениях на хода приводов приведен на рис.4 а, б. в. Разработанной метод построения ОВП применим при анализе роботов с параллельными кинематическими цепями и с числом степеней подвижности от двух до шести.

Пятая глава посвящена исследованию роботов параллельной структуры с различным числом степеней подвижности, которые имеют перспективы применения в техническом оснащении сцены, в первую очередь, в специализированных демонстрационных р обототе х н и ч сек их системах. Исследуются схемы с числом степеней подвижности от двух до шести. Во всех случаях анализируются ОВП и описывается их конфигурации, формулируются рекомендации но выбору основных геометрических параметров, т.е. координат точек расположения шарниров, длин звеньев, ходов приводов и пр. Примеры наиболее перспективных для театра схем механизмов манипуляторов с двумя и тремя степенями подиижпосги приведены на рис. 6 а, б, в и г. При синхронной рабою приводов 5 и 6 робота (рис.6 а) осуществляется одновременный носорог выходного .звена вокруг осей 2 я У, т.е. вектор его угловой скорости лежит в плоскости У2.

В варианте 6 предложен другой принцип реализации траектории: приводное звено 6 только изменяет положение основной оси вращения, одна из точек которой фиксируется звеньями I, 2 и 3, а приводное звено 5 задает повороты вокруг этой оси. Звено 4 постоянной длины предоставляет возможность приводному звену 6 задавать однозначно положение верхней правой точки платформы (т.е. основной оси врншеиш).

На основании анализа потребностей современной сценографии предложена схема трехстепенного робота (рис.6 в, г). Расположение неподвижной точки в углу прямоугольной платформы не принципиально,

б

Рис.4.

в

Рне.6

важно лишь то, чтобы шарниры приводных звеньев были на ортогональных осях, проходящих через эту точку. В диссертации показано, что матрица коэффициентов линеаризации относительно изображенного номинального положения диагональная. Поэтому вследствие условий приближенной ортогональности имеют место следующие уравнения связи малых углов поворота О*, 0У . О, вокруг осей X, У, 2 и перемещений , Аз у, А.У/, задаваемых приводными звеньями:

О, = ДлуУ; 0У = Мг/к ; о, ■ Ш1у. (12)

Ось привада 5 не обязательно вертикальна. Ортогональность значительно упрощает управление приводами при задании угловой ориентации малыми углами Крылова.

Например, на сцене гигантская голова может кивать сверху вниз, наклоняться слева направо, а в знак отрицания - поворачиваться слева па-право. В случае необходимости возможно неортогональное взаимное угловое ориентирование осей приводных звеньев.

Два приводных звена 4 и 5 задают положение оси вращения (в данном случае - оси симметрии), которую можно считать главной, а звено 6 -вращение вокруг этой оси (рис 6 г) В этом случае существенные преимущества получаются при замене приводного звена (линейного привода) вращательным приводом Как и в предыдущем случае, три пассивных звена 1, 2, 3 постоянной длины задают неподвижную точку платформы

Основные геометрические соотношения для большого числа других кинематических схем определены по методике, разработанной в главе 4

Шестая глава посвящена разработке теории сценических роботов с параллельными кинематическими цепями и гибкими звеньями Выходное звено таких роботов - твердое тело, подвешенное на шести канатах, длины которых изменяются по специально синтезированным законам с помощью лебедок с программным управлением На схеме (рис 5 а) лебедки размещены снизу на одном горизонтальном уровне, а отводные блоки могут крепиться к установочным приспособлениям на стенах, планшете или колосниках Такие роботы обеспечивают возможность перемещения подвижных объектов по всему сценическому пространству (например, при имитации свободного полета или при выполнении монтажа громоздких декораций)

В рабочем положении выходного звена все канаты натянуты и обеспечивается фиксирование его по шести степеням подвижности Для сравнения на рис 5 б представлена схема робота, при которой неизбежны маятниковые колебания платформы Очевидным достоинством таких схем демонстрационных сценических роботов является возможность использования канатов практически неограниченной длины в пределах сценической коробки при различных способах размещения в пространстве позиций установки лебедок

Равновесие выходного звена робота с гибкими звеньями имеет место в пределах ОВП, которая в общем случае является шестимерной (в шестимерном пространстве трех линейных координат и трех углов поворота) Для роботов с параллельными кинематическими цепями и жесткими звеньями определяющими для построения ОВП являются ограничения хода линейных приводов, и поэтому границы ОВП строятся исключительно из геометрических соотношений Принципиальной особенностью рассматриваемых роботов является то, что все канаты воспринимают только усилия растяжения, но не сжатия, и налагаемые ими связи являются не двусторонними, а односторонними Поэтому при решении задач о

í'mu.S.

статическом равновесии в первую очередь учитываются ограничения ча неотрицательность усилий в канатах и условия их гтепересечеиия. Конструктивные ограничения на изменение длин канатов практически отсутствуют, а остальные геометрические ограничения учитываются при программировании фаскторпи движения.

Для шсстистенсшюго робота и статике силы растяжения приводных звеньев, задающие положение выходного звена и его позиционирование, определяются весом платформы и канатов. Для повышения надежности системы подвешивания и расширения ОВП предложено вводить избыточные параллельные кинематические цепи, обеспечивающие приложение дополнительных еил к выходному звену.

При отсутствии избыточности ОВП определяется на основе решения задач статики. Вводятся в рассмотрение векторы S, сил реакций канатов, •воздействующих на выходное звено; они направлены от точек закрепления канатов к соответствующим опорам:

•У (9)

где е\ = /, /* 1\ * - единичный вектор, направленный по i - ому канату. В случае, когда учитывается только сила тяжести Р. приложенная к выходному звену, определяемому радиусом-вектором записываются два уравнения равновесия сил и моментов:

££¡4 Р = 0;

I г,х5, \ (10)

При введении дополнительных канатов, создающих силы уравнения статики приобретают вид:

Щ + ['= о,

Sí-jX^új + Щ x5¡ + р = 0. (11)

Специфика задачи заключается в том, что двигателями или грузами задаются модули сил а их направления зависят от закрепления средства натяжения и определяются из решения задач геометрии, как и для основных канатов

Разработана методика определения границ ОВП Рассматривается шестимерное пространство Î2C составляющих линейных координат и параметров углового положения Вводится в рассмотрение шестимерное пространство Î2S усилий Между пространствами Qc и Î2S существует бинарное соответствие каждой точке пространства Г2С соответствует точка пространства ils и наоборот Совокупность условий S, >0 (г = 1, 2, 6) означает выделение сектора в шестимерном пространстве Qs усилий Выход на границу ОВП при перемещениях происходит тогда, когда по крайней мере одна из сил растяжения канатов обращается в нуль Фиксирование одного из усилий Sr (в данном случае - приравнивание к нулю Sr=0) означает выход точки на пятимерную гиперповерхность в шестимерном пространстве Qs усилий Поскольку возможных независимых условий Sr=0 шесть, то в шестимерном пространстве усилий выделяется шестигранник с криволинейными гиперплоскостями

Аналитическое или численное определение границ ОВП производится по следующему алгоритму Записывается система уравнений статики (10) или (11) Они линейны относительно шести S, и относительно заданных приложенных сил, причем коэффициенты этой системы зависят помимо силы веса и других параметров от координат центра выходного звена и углов поворота, т е от координат шестимерного пространства

Задаются такие параметры положения выходного звена, при которых сила в первом канате обращается в нуль, те Si= 0 Это соответствует выходу на границу в шестимерном пространстве £is усилий, на границу сектора положительности усилий, а в шестимерном пространстве £1С - и на границу ОВП В этом случае уравнения статики превращаются в систему шести линейных алгебраических уравнений относительно пяти неизвестных сил S, (при 1 = 2 6) Эта система имеет решение тогда, когда между шестью параметрами положения существует единственное соотношение Это соотношение может быть формально представлено в виде уравнения, связывающего все шесть параметров положения выходного звена Во введенном шестимерном пространстве £îc координат этому уравнению соответствует гиперповерхность, которая представляет собой один из участков границы ОВП Аналогичным образом, задавая условие 5г= 0, получается уравнение второго участка границы ОВП и т д

По предложенной методике проведена серия расчетов двумерных сечений ОВП в предположении малости размеров платформы по сравнению с расстояниями между точками расположения лебедок Сформулированы рекомендации по рациональному размещению лебедок, обеспечивающему возможно большее расширение ОВП

Учет веса канатов осуществляется путем совместного решения задач о статическом равновесии платформы и каждого из канатов Предложен и опробован приближенный способ учета сил веса канатов, основанный на вычислении поправок в первом приближении Учет указанного фактора приводит к некоторому уменьшению ОВП

В заключении главы рассмотрена прямая задача динамики робота с параллельными кинематическими цепями и гибкими звеньями При этом в соответствии с принципом кинетостатики для заданного закона движения робота к числу действующих на выходное звено сил в уравнениях статики добавлены силы инерции Для тутовых движений установлено, что положительность усилий в канатах может сохраняться даже при ограниченных смещениях платформы из статической ОВП, т е возможно существенное расширение динамической ОВП относительно статической

В седьмой главе решаются задачи имитации на сцене эпизодов разрушений и катастроф На основании анализа современного репертуара ведущих театров установлено, что наиболее эффектно для сцены имитировать разрушения кораблей, ландшафтных объектов (например, деревьев, скал, пещер), произведений архитектуры и строительных сооружений (колонн, стен, башен, дворцов, мостов), монументальной скульптуры Представлена классификация эффектов разрушения Все эффекты разрушения разделены на три группы

- разрушение объекта на фрагменты, когда меняется их взаимное расположение в пространстве,

- изменение формы объекта с имитацией больших пластических деформаций сжатия и (или) изгиба,

- комбинированные варианты разрушения с разделением на фрагменты и с деформацией отдельных элементов

Основными принципиальными требованиями к средствам имитации разрушения в театре, в отличие от кинематографа, являются обеспечение многократного идентичного воспроизведения и минимум уровня шума

Проблемы имитации пластических деформаций решаются путем применения мехатронных модулей на базе механизмов, воспроизводящих поворот и поворот с линейными перемещениями Сами модули покрыва-

ются эластичными оболочками, декорированными под заданную постановщиком фактуру Воспроизведение разрушения на фрагменты является наиболее выразительным и требует многосторонней проработки Для обеспечения правдоподобности разрушения предложено производить его математическое моделирование

Большое внимание в главе уделено воспроизведению разрушения колонн Падение колонны происходит от первоначального толчка и далее в процессе движения под действием собственного веса и сил инерции она разваливается на составные части

Движение колонны как единого целого предложено описывать классическим уравнением поднятого маятника в отклонениях от нейтрального (равновесного) положения, при котором центр масс находится на одной вертикали с осью поворота Уравнение моментов относительно точки поворота имеет вид

I tftp/dt2 = mg (с sin ср —Ad cos <р), (13)

где (р - угол наклона (его нельзя считать малым), т — масса, а I — момент инерции тела относительно оси вращения, d — диаметр фрагмента, с — координата центра тяжести

Известное аналитическое решение выражает начальное значение сро через специальные функции На первой фазе движения колонна рассматривается как жесткий стержень (рис 7 а), поворачивающейся по закону, определяемому полученным решением, а на второй - частицы распавшейся колонны двигаются в поле сил тяжести по параболам (рис 7 б) Угол поворота и угловая скорость в критический момент времени t* распадения на части обозначаются через ф* и со* Значения координат и проекций линейной скорости в момент времени t* определяться выражениями x(t*) = ¡ sin íр*, z(t*) = I cos tp*,

V\(t*) = luí* cos <j)*, V/t*) = - luí*simp*

- V A„

(14)

1/, v

Рис 7

Рис!

Начиная с момента /*, движение произвольной точки М происходит как свободное в поле силы тяжести Закон движения определяется выражениями

x(t) = / Sin ф* + / (/ - t*) (O* COS Ф*, z(t) = / cos ф* - / (/ - /*) со* sin ф* - /2 g(í - >*)2 (15) Для имитации разрушения представляет интерес не закон движения определенной точки, а изменение во времени линии, соединяющей положения всей совокупности точек (фрагментов)

В наиболее распространенном случае, когда разрушение происходит под действием короткого импульса, можно приближенно принимать /*=0, Ф* =0 и для координат фрагмента записать следующие выражения

x(í) = ltíо*, z(t) = l-Vigt2 (16)

Схема построения текущих положений совокупностей точек для значений моментов времени ti, t2, t¡ представлена на рис 8 я В процессе падения линия трансформируется от вертикального положения OAi0A20M0 в момент t¡ в ломаную О A ¡ М\, затем, в момент t2 в ломаную О А \ А2 М2 (при этом угол наклона уменьшается) и, наконец, в горизонтальную прямую ОА\ А2 Mí Произвольная точка Л2»переходит в точку А2, ее координата хi определяется выражением

х,= 1,41 <о* l^g"2, (17)

а координата конечной точки Л/3 рассчитывается по формуле

xL= 1,41 ш* //'V'- = 1.41 V* L'/2g'/2, (18)

где V* - начальная скорость верхней точки колонны Величина зоны разброса обломков при падении колонны пропорциональна начальной угловой скорости, но нелинейно зависит от высоты L

При анализе сцен разрушения колонны (рис 9 а, б) значение xL является основным показателем, определяющим картину разброса обломков Представляет интерес исследование преобразования линейной плотности частиц в процессе движения Формула преобразования, полученная из условия сохранения массы, имеет вид

p(í)=Po\dl/dx\, (19)

где р(/) и ро -плотности распределения массы по колонне в начале и в конце разрушения Выражения для плотности фрагментов имеют вид

р(дг) = 0,529 p0gl/3 x'/3(ü>*y2'3 (20) Наибольший интерес представляет зависимость плотности от координаты х после падения колонны Если для окрестности точки производная dl/dx <1, то плотность уменьшается, а при dl/dx >1 плотность повышается Во втором случае частицы в исходном положении плотно прилегали друг к другу, а в конечном положении они начинают «налезать» друг на друга, образуя нагромождение фрагментов Из второй формулы (22) следует, что плотность распределения частиц (рис 9 в) имеет характер

гиперболы Условие сН/с/х > 1 выполняется для всего отрезка (0, х;), если оно выполняется для его конца

£,/3 и"\(а*У2/3 > 1,89 (21)

В этом случае плотность везде будет ниже начальной (рис 9 г) В противном случае на одной части отрезка будет нагромождение фрагментов, а на другой - между ними будут промежутки (рис 9 в)

В некоторых случаях можно сделать выводы о характере вращения фрагментов, обломков в процессе их полета Если плотность уменьшается, что реализуется при достаточно большой м*, то их свободному вращению в полете ничто не мешает, они сохраняют постоянной начальную угловую скорость ю* Если же угловая скорость мала, то между фрагментами, обломками возникают сложные ударные взаимодействия, так что использование каких-либо простых математических моделей становится невозможным

Формулы, приведенные выше, справедливы при распадении колонны на фрагменты в положении близком к вертикальному Однако полученные качественные и количественные показатели сохраняются, если разрушение колонны происходит при конечном угле фо

Проблему определения угла ср0 и времени /* предложено решать на основании представлений о нарушении равновесия или условий прочности Предложено в процессе моделирования сцен разрушений и катастроф варьировать и вводить следующие факторы

- количество фрагментов и форма поверхностей стыка,

- дополнительные связи между фрагментами (фрагменты могут быть соединены шарнирами, допускающими повороты, или тросами),

- начальные условия, определяемые характером и способами приложения импульсов,

- способы соединения фрагментов в единое целое на первых этапах и порядок их разъединения на последующих этапах разрушения,

- переход от плоских движений во фронтальной вертикальной плоскости к пространственным движениям

В главе также научно обоснованы принципы рационального фраг-ментирования крупных конструкций, картина разрушения которых воспроизводиться на сцене Предложены принципы построения мехатронных систем для «растягивания» процесса разрушения во времени

В восьмой главе представлены результаты работы автора, реализованные в современных постановках ведущих театров России

Для тетралогии Р,Вагнера "Кольцо ни белу ига" (гл. L) созданы четыре одиннадцати метровые фигуры великанов, которые представляют собой модульные антропоморфные демонстрационные роботы. В полной комплектации масса робота составляет 6Ü0 кг, он имеет 9 встроенных, 7 внешни* и 23 навесных управляешь приводов. Па рис. 10 представлен «скелет» великана с встроенными механизмами и приводами, иа рис 1Í -его внешний вид, а иа рис.12 показана кинематическая схема позвоночного столба. В соответствий с требованиями постановщиков спектакля кинематические схемы рук, ног и позвоночного столба выполнены пяти-звенными. В основу манипулятора робота положена схема с последовательно- параллельным и кинематическими цепями. В работе выполнен анализ конструкции манипулятора великана и алгоритмов управления его

Рис. I 1

Рис. 10

6

Рис. 12

сценическими движениями, приведены данные о результатах расчета и моделирования основных элементов. Сформулироваиы и решены задачи согласования движений с музыкальным сопровождением на основе автоматизации управления.

Па рис. 13 изображена схема гибкой шеи лебедя, зооморфного демонстрационного робота, разработанного для постановки оперы Р.Вагнера "Лоэпгрин". Шея построена на гибком тонком стержне 1, он деформируется

I

натяжением управляемых канатов 2, 3, 4 и 5 Для демонстрационных сценических роботов в отсутствии высоких требований к точности позиционирования схема на упругом стержне имеет много преимуществ Построена математическая модель управляемого деформируемого упругого элемента Для этого использована теория больших деформаций тонких криволинейных стержней Численное решение этой системы уравнений при дискретизации найдены методом конечных элементов Выбор геометрических параметров осуществлялся по результатам экспертного оценивания выразительности сценической картины деформации На рис 13 показаны конфигурации шеи, полученные при двухканальном управлении

Для постановки оперы М Мусоргского «Борис Годунов» в Мариин-ском театре (2002 г) создан зооморфный робот - паук В его основу положена схема со смешанными кинематическими цепями каркас (туловище) с восьмью разомкнутыми кинематическими цепями лап подвешен на четырех канатах Робот имеет разомкнутую систему управления на базе контроллера GM6 с программированием по времени Масса робота составляет 240 кг, а габаритные размеры - 8,0 х 8,0 х 8,0 м

Одиннадцать мобильных электромеханических локомоционных роботов повышенной маневренности созданы для оперных спектаклей Ма-риинского театра «Борис Годунов» (2002 г) в постановке Г Ципина, «Нос» (2004 г ) в постановке 3 Марголина, «Мадам Баттерфляй» (2005 г ) в постановке М Трелиньского Четыре робота созданы для спектакля Большого театра России «Болт» (2005 г) в постановке С Пастуха Размеры роботов составляют от 1,0 х 1,0 х 0,3 м до 3,2 х 12,0 х 4,0 м, грузоподъемность- от 150 кг до 1200 кг , а скорости движения- от 0,1 м/с до 1,0 м/с

Разработан мехатронный комплекс из шестнадцати подвижных модулей, установленных в два яруса по высоте с размерами до 2,2 х 5,6 х 2,0 м, выполненных в виде параллелепипедов для спектакля Большого театра России «Война и мир» (2006 г) в постановке А Боровского Комплекс позволяет изменять структуру сценического пространства во время представления

В техническом проекте новой сцены Александринского театра (2006 г) впервые реализована концепция структурной гибкости, предложенная автором [2, 3] Сущность концепции заключается в обеспечении возможности автоматизированной гибкой адаптации сценического комплекса к технологии проведения конкретного спектакля Проблемы адаптации решены применительно к манипуляционной системе, состоящей из 56 авто-

матизированных подъемников грузоподъемностью 150 кг и 250 кг Возможность перемещения элементов сценического робототехнического комплекса обеспечена тремя портальными транспортными роботами и одной автоматизированной транспортной тележкой Такой подход к автоматизации перекомпоновки оборудования сцены позволяет решать две важнейшие задачи Во-первых, штанкеты в такой системе ориентируются в пространстве в зависимости от пожелания постановщика Во-вторых, 56 автоматизированных подъемников размещаются в пространстве таким образом, что в несущей конструкции декорации сложной формы при подвешивании можно минимизировать напряжения и деформации ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Систематизирован опыт создания и эксплуатации техники сцены и установлено, что фундаментальной основой для дальнейшего развития театральной машинерии являются сценические структурно-гибкие адаптивные робототехнические и мехатронные системы

2 Сформулированы принципы построения сценических структурно-гибких человеко-машинных комплексов и организации автоматизированного управления современным оперно-балетным спектаклем

3 Определены перспективные направления развития сценической робототехники и мехатроники, показано, что для реализации пространственных движений целесообразно создание роботов с параллельными кинематическими цепями

4 Разработаны научные основы и методология комплексного проектирования роботов для сцены, сформулированы принципы модульного построения, при которых предусмотрены взаимно совместимые модули оснований, выходных звеньев, линейных приводных звеньев, линейных звеньев постоянной длины и шарнирных узлов

5 Существенно развит математический аппарат исследования роботов с параллельными кинематическими цепями, доказано, что их наибольшие функциональные возможности достигаются при размещении шарниров приводов не в двух плоскостях, а в трехмерном пространстве

6 Предложен способ формализованного описания геометрии сценических роботов с параллельными кинематическими цепями, путем задания матриц направляющих косинусов приводных звеньев, произведен анализ конфигурации рабочих зон таких роботов

7 Разработана теория роботов с параллельными кинематическими цепями и с гибкими звеньями, приводимыми в движение программно управляемыми лебедками с помощью канатов переменной длины, сформулиро-

ваны и обоснованы практические рекомендации по созданию на их базе средств имитации свободного полета и выполнения операций монтажа декораций

8 Сформулированы основные положения теории построения области возможных положений выходного звена робота с параллельными кинематическими цепями, с гибкими звеньями и с учетом условий неотрицательности усилий в канатах, влияния прогибов канатов и сил инерции

9 Показано, что для расширения области возможных положений сценического демонстрационного робота с параллельными кинематическими цепями и гибкими звеньями целесообразно использовать дополнительные канаты, силы натяжения которых следует задавать постоянными или изменять по программе

10 Создана методология проектирования мехатронных модулей для имитации эпизодов разрушений и катастроф, которая предусматривает отработку на математических моделях разрушения колонн, перекрытий, сводов, арок, стен, башен и т п

11 Рекомендованы перспективные схемы построения локомоционных роботов для театральной сцены и выполнен анализ их функциональных возможностей

12 Предложены научно обоснованные принципы построения и схемные решения для антропоморфных и зооморфных сценических роботов с комбинированными кинематическими цепями

13 Разработаны принципы организации автоматизированного управления современным оперно-балетным спектаклем

14 Результаты исследований использованы при создании проектной документации на новые сценические площадки семи ведущих театров страны и театральной машинерии для 32 спектаклей Государственного Академического Большого театра России, Кремлевского Дворца съездов, Государственного Академического Мариинского театра, театра им Ленсовета, Санкт-Петербургского театра комедии им H П Акимова, Санкт-Петербургского театра музыкальной комедии и других

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Волков А.Н., Дьяченко В.А., Медведев C.B., Саратовский C.B. А с 1109331 СССР/Устройство для передвижения по гладкой поверхности, произвольно ориентированной в пространстве -БИ №31-1984

2 Волков А.Н , Бросалин Б.Б., Дьяченко В.А., Сунгурова Л.П. А с 1497902 СССР/Устройство для перемещения по гладкой поверхности-Б И №33 -1985

3 Волков А,Н., Дьяченко В.А., Краснослободцев В.Я. Патент России по заявке 4804846/11/034703/Устройство для передвижения по произвольно ориентированной в пространстве поверхности - Б И №21 -1986

4 Волков А.Н, Дьяченко В.А., Катковник В.Я, Смирнов А.Ю. Принцип построения структурно-адаптивного роботизированного производства// Робототехнические системы Тез докл III Всесоюзной межвузовской конф , Челябинск изд ЧПУ - 1983 -С 49

5 Волков А.Н , Смирнов А.Ю Управление размещением модулей структурно-гибкого роботизированного производства//Труды ЛПИ им M И Калинина Л изд ЛПИ, № 410 - 1985 - С 69-73

6. Волков А.Н., Теория и расчет электромагнитных средства автоматизации //Фундаментальные исследования в технических университетах Материалы науч -техн конф СПб изд СПбГТУ-1997-С59

7 Волков А.Н., Алексеев П.В. Динамика быстродействующих цикловых механизмов с линейным электромагнитным приводом//Сб трудов СПбГТУ -СПб издание СПбГТУ, № 481 -1998 -С 54-57

8 Волков А.Н., Алексеев П.В. Проблемы автоматизации проектирования цикловых приводов//Сб трудов СПбГТУ СПб изд СПбГТУ, № 510 -1999 -С 24-27

9 Волков А.Н., Алексеев П.В., Викторов O.A., Ефимов И.Г. Электромагнитный привод - современное состояние и перспективы разви-тия//Науно-техн ведомости СПбГТУ СПб изд СПбГТУ, № 3 (17)-1998-С 96-100

10 Волков А.Н., Кочетков А.В Динамика быстродействующего циклового привода с линейным двигателем//Вестник машиностроения M Машиностроение, № 6 -1999 - С 19-21

11 Волков А.Н., Соколов В.А. Проблемы проектирования демонстрационных роботов//Фундаментальные исследования в технических университетах Материалы III Всероссийской научно-техн конф СПб изд СПбГПУ- 1999 -С 39

12 Волков А.Н., Смородов П.В. Трехкоординатный домкрат// Робототехнические системы для работы в экстремальных условиях Материалы науч-практ конф СПб изд СПбГПУ-2001 С 47

13 Волков А.Н., Павлова C.B. Манипуляторы с параллельными кинематическими цепями и дискретными приводами//Робототехнические системы для работы в экстремальных условиях Материалы науч -практ конф СПб изд СПбГПУ-2001 - С 54

14 Волков А.Н. Машинное оснащение современного театра// Научно-технические ведомости СПбГТУ -СПб изд СПбГТУ, №4(34) - 2003 -С 97105

15 Волков А.Н Мехатроника театральной сцены//Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ'2004) Материалы всероссийской науч-техн конф с международным участием Владимир изд ВГУ 2004-С 57-61

16.Волков А.Н, Смородов П.В.Челпанов И.Б. Задачи механики современного театра// IV Международый конгресс «Машиностроительные технологии'04» Сб докл т5 Варна, Болгария - 2004 - С 99-100

17. Волков А.Н., Смородов А.В. Построение сечений рабочей области платформы Стюарта//1У Международый конгресс «Машиностроительные технологии'04» Сборник докладов т 5 Варна, Болгария-2004-С 101-124

18 Волков А.Н., Смородов П.В., Челпанов И.Б. Демонстрационные роботы на сцене театра фигуры великанов в тетралогии Вагнера «Кольцо нибелунга»// Теория механизмов и машин, № 3, СПб, 2004 - С 70-76

19 Волков А.Н Шестистепенные подвесные платформы и их исследование - СПб , изд СПбГПУ, 2006, 92 с

20 Волков А.Н , Мархадаев Б М Перспективы создания погрузочно-разгрузочного оборудования на базе шестистепенных платформ//Вестник ИрГТУ - Иркутск изд ИрГТУ, №3 - 2005 - С 32-36

21 Волков А.Н Подвижные конструкции на сцене современного теат-ра//Конструктор-машиностроитель - СПб №6 - 2005 -С 20-23

22 Волков А.Н Имитация сцен разрушений и катастроф на сцене современного театра//Научные исследования и инновационная деятельность Материалы науч -практ конф СПб изд СПбГПУ - 2006-С 41

23 Волков А.Н Новые технологии в постановке современных спектаклей// Научные исследования и инновационная деятельность Материалы науч -практ конф СПб изд СПбГПУ - 2006 -С 43

24 Волков.А.Н , Челпанов И.Б. Механика имитации сцен разрушений и катастроф на сцене театра// Проблемы механики современных машин Материалы III международной конф Улан-Удэ изд ВСГТУ, Улан-Удэ, 2006 - С 73-74

25.Волков А.Н Механика сцены современного театра// IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике Аннотации докладов Нижний Новгород изд НГУ, т 1 - 2006 - С 34-35

26 Волков А.Н , Ситкин Д.С. Транспортно-манипуляционные системы на базе шестистепенных подвесных платформ//Известия ТулГУ Сер Подъемно-транспортные машины и оборудование -Тула изд Тул ГУ, Вып 7- 2006-С 128-135

27 ВолковА.Н., Ситкин Д.С. Задачи динамики управляемого полета над сценой в современных театральных постановках//Научно-технические ведомости СПбГТУ - СПб изд СПбГПУ, № 5-1(47) 2006 - С 218-222

Лицензия ЛР №020593 от 07 08 97

Подписано в печать 26 09 2007 Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 2,0 Тираж 100 Заказ 2032Ь

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ТЕАТРАЛЬНОЙ МАШИНЕРИИ.

1.1 .Общая характеристика литературных источников по техническому оснащению сцены.

1.2. Эволюция технического оснащения сцены театра от Древней Греции до XIX века.

1.3. Тенденции развития технического оснащения сцены театра от XIX века до настоящего времени.

1.4. Театральная машинерия современного театра.

1.4.1. Оборудование верхней машинерии сцены.

1.4.2. Оборудование нижней машинерии сцены.

Выводы по главе 1.

2. ГЕОМЕТРИЯ СЦЕНЫ И ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ЕЕ РОБОТИЗИРОВАННОГО И МЕХАТРОННОГО КОМПЛЕКСА.

2.1. Особенности эксплуатации оборудования театральной машинерии.

2.2. Общие принципы обустройства сцены и компоновка оборудования робототехнических и мехатронных систем современного театра.

2.3. Принципы обустройства сцены и компоновка сценической структурно-гибкой роботизированной системы современного театра.

2.4. Классификация элементов сценических робототехнических и мехатронных систем современного театра и задачи их исследования.

2.5. Компоновка рабочего пространства сценического структурно-гибкого роботизированного и мехатронного комплекса.

2.6. Общая характеристика сцены, как рабочего пространства робототехнической и мехатронной систем.

Выводы по главе 2.

3.РОБОТИЗИРОВАННЫЙ МЕХАТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТРАНСФОРМИРОВАНИЯ СЦЕНИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА.

3.1. Анализ тенденций развития средств трансформирования сцены.

3.2. Классификация методов трансформирования сцены.

3.3. Роботизированная технология трансформирования сценического пространства.

3.3.1 .Трансформирование пространства сцены плоскими элементами.

3.3.2. Формирование рельефа сцены из объемных элементов.

3.3.3. Формирование рельефа сцены раздвижными конструкциями.

3.4.Робототехнические системы для трансформирования сценического пространства.

3.4.1. Манипуляционные робототехнические системы для формирования рельефа сцены.

3.4.2. Локомоционные робототехнические системы для формирования рельефа сцены.

3.5. Автоматизированные приводы театральной машинерии.

3.6. Автоматизированные системы управления театральной машинерией

3.7. Автоматизация управления оперно-балетными спектаклями.

Выводы по главе 3.

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МАНИПУЛИРОВАНИЯ СЦЕНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ.

4.1. Описание геометрии подвижного сценического объекта манипулирования как жесткого тела.

4.2. Способы задания угловой ориентации объектов манипулирования.

4.3. Представление манипуляторов параллельной и комбинированной структуры многостепенных роботов с помощью графов.

4.4. Типовые варианты роботов на базе платформы Стюарта.

4.5.Свойства манипуляторов параллельной структуры и их описание.

4.6. Метод /-координат составления исходных геометрических уравнений платформы Стюарта.

4.7. Альтернативные методы решения геометрических задач роботов с параллельными кинематическими цепями.

4.8. Алгоритмы решения прямой и обратной геометрических задач при определении угловой ориентации выходного звена робота.

4.9. Линеаризация геометрических соотношений для роботов с параллельными кинематическими цепями.

4.10. Задачи синтеза манипуляторов с параллельными кинематическими цепями.

Выводы по главе 4.

5. СЦЕНИЧЕСКИЕ РОБОТЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ С РАЗНЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ ПОДВИЖНОСТИ.

5.1. Классификация перемещаемых объектов сцены.

4.2. Роботы с одной степенью свободы.

5.3. Роботы параллельной структуры с двумя степенями свободы.

5.4. Роботы параллельной структуры с тремя степенями свободы.

5.5. Роботы параллельной структуры с четырьмя степенями свободы.

5.7. Роботы параллельной структуры с шестью степенями свободы.

5.8. Модифицированные варианты робота параллельной структуры с шестью степенями свободы.

5.9. Модульное построение механизмов роботов параллельной структуры.

5.10. Алгоритмы управления сценическими робототехническими системами с параллельными кинематическими цепями.

5.10.1. Исследование движения робота при синхронно-дискретном изменении /-координат.

5.10.2. Исследование движения робота при асинхронном изменении /координат.

5.10.3. Алгоритм поочередного изменения / -координат.

Выводы по главе 5.

6. СЦЕНИЧЕСКИЕ РОБОТЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ

КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ЦЕПЯМИ И ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ.

6.1. Принцип построения демонстрационных роботов на базе подвесных платформ и перспективы их применения.

6.2. Традиционные способы задания движения подвесным платформам.

6.3. Варианты схемных решений шестистепенных манипуляторов роботов с параллельными кинематическими цепями.

6.4. Статическое равновесие манипуляторов с шестью гибкими параллельными кинематическими цепями.

6.5. Общая методика определения области возможных положений манипулятора с гибкими параллельными кинематическими цепями.

6.6. Распределение сил и определение границ ОВП трехстепенного манипулятора с гибкими параллельными кинематическими цепями.

6.7. Анализ границ областей возможных положений робота.

6.8. Оценка области допустимых положений платформы манипулятора по необходимым условиям равновесия.

6.9. Варианты расстановки приводов сценического робота.

6.10. Упругость канатов как важный фактор при исследовании задач статики робота с параллельной структурой.

6.11. Учет влияния сил веса канатов на условия статического равновесия робота.

6.12. Задачи динамики роботов с гибкими параллельными кинематическими цепями.

Выводы по главе 6.

7. МЕХАНИКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СЦЕН КАТАСТРОФ И РАЗРУШЕНИЙ.

7.1. Имитации сцен разрушений и катастроф.

7.2. Подходы к имитации разрушений и катастроф на сцене театра.

7.3. Математическая модель разрушения колонны.

7.4. Возможности варьирования сцен разрушений.

7.5. Разрушение арок и сводов.

Выводы по главе 7.

8. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ СЦЕНЫ.

8.1. Классификация сценических демонстрационных роботов.

8.2. Механика кукольного театра марионеток.

8.3. Фигура человека или скульптура в оформлении сцены.

8.4. Антропоморфные сценические роботы.

8.5. Зооморфные сценические роботы.

8.5.1. Сценические роботы, построенные на базе гибкого стержня.

8.5.2. Манипуляционные системы зооморфных демонстрационных роботов на базе рычажных механизмов.

8.6. Внедрение результатов работы.

Выводы по главе 8.

Постановки опер и балетов, обустройство и оснащение сцены в ведущих театрах мира всегда базировались на передовых технических достижениях. В настоящее время процесс создания декораций и проведения спектакля характеризуется глубокой взаимной интеграцией художественного и технического начал.

Перед постановщиками спектаклей обычно стоят три фундаментальные проблемы. Во-первых, это создание выразительных динамичных сцен с движущимися или летающими чудовищами, подвижными антропоморфными и зооморфными роботами, стилизованными под мифологические и фантастические персонажи, с разрушающимися стенами, обрушающимися потолочными сводами, качающимися и разбивающимися о скалы или разламывающимися на волнах кораблями, и т.п. Во-вторых, это реализация переходов от одной картины к другой со значительными изменениями обстановки сцены в кратковременных паузах и в антрактах, что позволяет увеличить количество декораций спектакля и повысить динамичность театрального действия. В-третьих, это обеспечение коротких сроков монтажа-демонтажа декораций в современном репертуарном театре, когда утром и вечером проводятся разные спектакли, и смена оформления сцены должна осуществляться в короткие интервалы времени.

Обозначенные технологические проблемы трансформируются в комплекс научно-технических проблем:

- разработка принципов и конкретных приемов построения структурно-гибких сценических робототехнических и мехатронных комплексов для реализации требуемого постановщику синхронизированного взаимодействия подвижных фрагментов декорационного оформления, светового оборудования, оркестрантов, актеров и технического персонала;

- разработка научных основ проектирования структурно-гибких робототехнических и мехатронных сценических комплексов и их компонентов.

Основной тенденцией развития театральной машинерии является увеличение плотности заполнения сценического пространства современными техническими системами, имеющими многочисленные подвижные части со встроенными механизмами и приводами, а также многоуровневые системы автоматизированного управления.

При существующей системе производства и эксплуатации не автоматизированной театральной машинерии уже сейчас практически в каждом спектакле возникают «накладки», а коллективы, осуществляющие обслуживание сценической техники, работают на пределе физических возможностей. Известно, что многие интересные художественные замыслы в оснащении сцены не воплощены в театрах из-за отсутствия научно обоснованного подхода к проектированию, производству и эксплуатации сценической техники.

Анализ тематики театральной машинерии в целом и изучение накопленного опыта ее создания и эксплуатации указывают на необходимость опережающей разработки новых принципиальных, схемных и конструктивных решений как самой сцены, так и сценических робототехнических и ме-хатронных систем. Они должны вытекать из обобщения достижений передовой мировой театральной техники, соответствовать конкретным потребностям технического оснащения и стилистике тех театральных представлений, на которые ориентированы. Важной составляющей здесь является создание структурно-гибких роботизированных комплексов, обеспечивающих высокий уровень адаптации техники к разнообразным сценическим задачам. Этому должна предшествовать глубокая научная теоретическая проработка рассматриваемой тематики с использованием методов теоретической и аналитической механики, теории упругости и мехатроники на соответствующих математических моделях. До сих пор механика, мехатроника и робототехника театральной сцены не были объектом комплексных научных исследований.

Обозначенные фундаментальные проблемы должны решаться путем создания единого демонстрационного пространства на базе структурно-гибких модульных робототехнических и мехатронных систем.

На основании разработанных автором теоретических положений в диссертации изложены научно обоснованные технические решения по расчету и проектированию робототехнических и мехатронных систем, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие театральной культуры страны и выведение ее на передовые рубежи мирового искусства.

Целью диссертации является разработка и развитие научных основ теории и методологии проектирования сценических мехатронных и роботизированных систем переменной структуры, и их применение к созданию новых театральных сцен и постановок в ведущих оперно-балетных театрах России.

Задачи исследования:

1. Систематизация опыта создания и эксплуатации театральной маши-нерии.

2. Анализ принципов организации пространства сцены современного театра, механизмов, систем приводов, несущих конструкций декораций и различных подвижных объектов наиболее распространенных типов.

3. Определение перспективных направлений и принципов развития робототехнических и мехатронных систем для сцены театра, разработка комплексных требований к их проектированию.

4. Разработка и исследование на математических моделях сценических роботов с параллельными кинематическими цепями, анализ конфигураций и размеров их рабочих зон.

5. Создание теории сценических роботов с параллельными кинематическими цепями, приводимыми в движение программно управляемыми лебедками, и решение задач статического и квазистатического равновесия выходного звена с учетом требований неотрицательности натяжения канатов.

6. Разработка научных основ и методологии комплексного проектирования роботов, робототехнических комплексов и мехатронного сценического оборудования для современного театра.

7. Многоаспектная систематизация задач имитации эпизодов разрушений и катастроф, построение математических моделей и выработка рекомендаций по созданию соответствующих мехатронных модулей на базе электромеханических приводов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Структурно-гибкие робототехнические и мехатронные системы должны являться фундаментальной основной современной театральной ма-шинерии.

2. Создание технического оснащения современной сцены и обеспечение его функционирования должны базироваться на соответствующем теоретическом обосновании, системном подходе к проектированию и обобщении опыта построения как современной театральной машинерии, так и лучших аналогов технического назначения. I

3. Применение принципов автоматизированного и супер-визорного управления структурно-гибкими робототехническими и мехатронными комплексами обеспечивает решение проблемы синхронизации взаимодействия технических средств, актеров, оркестра и операторов во время спектакля.

4. Сценические робототехнические системы с параллельными кинематическими цепями и с различным числом степеней подвижности - от одной до шести - являются наиболее перспективными для автоматизации перемещения декораций или их элементов по пространственным траекториям в пределах от 0.2 до 1,5 м.

5. Робототехнические системы, реализованные по схеме подвесной платформы, параметры движения которой задаются автоматизированными канатными лебедками, расположенными на большом удалении от сцены, целесообразно применять для реализации сложных пространственных траекторий в пределах от 1,5 до 12,0 м.

6. Сцены катастроф и разрушений целесообразно воспроизводить на базе мехатронных модулей для имитации пластических деформаций и правдоподобного фрагментирования конструкций с предварительным моделированием движения фрагментов в режиме анимации.

7. Антропоморфные и зооморфные демонстрационные роботы с параллельно-последовательными кинематическими цепями обеспечивают правдоподобную подвижность частей тела, реализацию различных сценических поз и перемещений в пространстве.

Методы исследования. Геометрические, кинематические, силовые и динамические характеристики объектов технического оснащения сцены -специальных робототехнических и мехатронных систем - исследовались методами аналитической геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики. При решении задач динамики использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland С++ Builder», при составлении программ использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработаны многоаспектные классификации технического оборудования сцены как сценических робототехнических и мехатронных систем, определены основные задачи их исследования.

2. Обобщены комплексные требования к сценическим робототехниче-ским и мехатронным системам, определены основные особенности построения сценического пространства, сформулированы формализованные ограничения на параметры движения объектов декорационного оформления.

3. Предложена концепция структурно-гибкой робототехнической системы для современного театра, обеспечивающая автоматизированное размещение мехатронного оборудование в пределах сценической коробки в зависимости от сценографии спектакля.

4. Сформулированы принципы многоуровневого управления современным спектаклем в театре как в человеко-машинной робототехнической системе.

5. Предложен способ построения параллельных и параллельно-последовательных кинематических цепей модульных манипуляторов роботов, основанный на замене приводных звеньев переменной длины звеньями постоянной длины.

6. Показано, что замена классической плоской шестистепенной платформы Стюарта роботами, у которых выходное звено представляет собой твердое тело, а шарниры приводных звеньев расположены в пространстве, а не в плоскости, значительно расширяет возможности задания перемещений.

7. Разработаны научные основы и методология анализа области возможных положений для сценических роботов с параллельными кинематическими цепями с различным числом степеней подвижности.

8. Предложены научно обоснованные принципы построения сценических роботов с гибкими параллельными кинематическими цепями на базе автоматизированных канатных театральных лебедок; разработана методика решения статической задачи о распределении усилий по канатам и предложен метод определения границ области возможных положений выходного звена в шестимерном пространстве исходя из условий поочередного обращения в нуль усилий в канатах.

9. Разработан метод определения допустимых в динамике перемещений подвижной шестистепенной платформы и оценены изменения области возможных положений.

10. Предложены принципы имитации сцен катастроф и разрушения применительно к условиям современного театра; сформулированы и решены модельные задачи процессов разрушения типовых элементов конструкций.

11. Разработана методология проектирования антропоморфных и зооморфных демонстрационных роботов, включая выбор кинематических схем и способа задания движений с помощью автоматических приводов.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном конгрессе МТ 04 в Варне (Болгария), на III международной конференции по проблемам механики современных машин в Улан-Удэ (2006), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике в Нижнем Новгороде (2006), на Всероссийской научно-технической конференции по мехатронике, автоматизации и управлению во Владимире (2004), на Всероссийских и международных научных конференциях и семинарах в СПбГПУ и ЦНИИ РТК (СПб), на секции технической кибернетики Дома ученых им.М.Горького (СПб). По результатам диссертационной работы опубликовано 27 печатных работ, из них одна монография и 6 - в периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что на основании обобщения опыта создания сценической машинерии и разработанных научных и методологических основ проектирования средств театральной мехатроники и робототехники осуществлены проекты новых современных театральных сцен и технического оснащения спектаклей ведущих театров страны.

Выводы по главе 8

1. Антропоморфные сценические роботы с параллельно-последовательными кинематическими цепями обеспечивают правдоподобную подвижность частей тела и реализацию различных сценических поз и перемещений в пространстве.

2. При проектировании демонстрационных зооморфных роботов для воссоздания на сцене сказочных персонажей и животных, анатомия которых содержит продольно-вытянутые управляемые гибкие элементы, целесообразно использовать модули, построенные на основе гибких стержней .

3. Разнообразие форм зооморфных роботов на основе гибких стержней определяется количеством управляющих параллельных тяг.

4. Для воссоздания на сцене подвижной шеи дракона целесообразно использовать манипуляционную систему с параллельно-последовательной структурой.

5. Предложенная методика и программные пакеты для определения рабочих зоны манипуляционной системы шеи, предложеные зависимости позволяют строить достаточно простые аппроксимации ее рабочей зоны.

6. Результаты исследований использованы при создании проектной документации на новые сценические площадки семи ведущих театров страны и театральной машинерии для 32 спектаклей Большого театра России, Кремлевского Дворца съездов, Мариинского театра, театра им. Ленсовета, Санкт-Петербургского театра комедии им. Н.П.Акимова, Санкт-Петербургского театра музыкальной комедии и других.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Систематизирован опыт создания и эксплуатации техники сцены и установлено, что фундаментальной основой для дальнейшего развития театральной машинерии являются сценические структурно-гибкие адаптивные робототехнические и мехатронные системы.

2. Сформулированы принципы построения сценических структурно-гибких человеко-машинных комплексов и организации автоматизированного управления современным оперно-балетным спектаклем.

3. Определены перспективные направления развития сценической робототехники и мехатроники, показано, что для реализации пространственных движений целесообразно создание роботов с параллельными кинематическими цепями.

4. Разработаны научные основы и методология комплексного проектирования роботов для сцены, сформулированы принципы модульного построения, при которых предусмотрены взаимно совместимые модули оснований, выходных звеньев, линейных приводных звеньев, линейных звеньев постоянной длины и шарнирных узлов.

5. Существенно развит математический аппарат исследования роботов с параллельными кинематическими цепями, доказано, что их наибольшие функциональные возможности достигаются при размещении шарниров приводов не в двух плоскостях, а в трехмерном пространстве.

6. Предложен способ формализованного описания геометрии сценических роботов с параллельными кинематическими цепями, путем задания матриц направляющих косинусов приводных звеньев, произведен анализ конфигурации рабочих зон таких роботов.

7. Разработана теория роботов с параллельными кинематическими цепями и с гибкими звеньями, приводимыми в движение программно управляемыми лебедками с помощью канатов переменной длины, сформулированы и обоснованы практические рекомендации по созданию на их базе средств имитации свободного полета и выполнения операций монтажа декораций.

8. Сформулированы основные положения теории построения области возможных положений выходного звена робота с параллельными кинематическими цепями, с гибкими звеньями и с учетом условий неотрицательности усилий в канатах, влияния прогибов канатов и сил инерции.

9. Показано, что для расширения области возможных положений сценического демонстрационного робота с параллельными кинематическими цепями и гибкими звеньями целесообразно использовать дополнительные канаты, силы натяжения которых следует задавать постоянными или изменять по программе.

10. Создана методология проектирования мехатронных модулей для имитации эпизодов разрушений и катастроф, которая предусматривает отработку на математических моделях разрушения колонн, перекрытий, сводов, арок, стен, башен и т.п.

11. Рекомендованы перспективные схемы построения локомоционных роботов для театральной сцены и выполнен анализ их функциональных возможностей.

12. Предложены научно обоснованные принципы построения и схемные решения для антропоморфных и зооморфных сценических роботов с комбинированными кинематическими цепями.

13. Разработаны принципы организации автоматизированного управления современным оперно-балетным спектаклем.

14. Результаты исследований использованы при создании проектной документации на новые сценические площадки семи ведущих театров страны и театральной машинерии для 32 спектаклей Государственного Академического Большого театра России, Кремлевского Дворца съездов, Государственного Академического Мариинского театра, театра им. Ленсовета, Санкт-Петербургского театра комедии им. Н.П.Акимова, Санкт-Петербургского театра музыкальной комедии и других.

1. Алгоритмы решения задач кинематики системы твердых тел / Зацепин М.Ф., Кобрин А.И., Мартыненко Ю.Г., Новожилов И.В. - М.: Изд-во МЭИ, 1989.-78 с.

2. Александер Р. Биомеханика / Р. Александер; М.: Мир, 1970.

3. Александров A.B. Сопротивление материалов / A.B. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин; М.: Высшая школа, 2000.

4. Алперс Б.В. Искания новой сцены / Б.В. Алперс; М.: Искусство, 1985.

5. Анд ре П. Конструирование роботов/ П. Андре, Ж-М. Кофман, Ф. Лот, Ж-П. Тайар; М.: Мир, 1986.

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

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

8. Аруин A.C. Эргономическая биомеханика / A.C. Аруин, В.М. Зациор-ский; М.: Машиностроение, 1989.

9. Базанов В.В. Сцена, техника, спектакль / В.В. Базанов; JL: 1963.

10. Базанов В.В. Техника и технология сцены / В.В. Базанов; Л.: Искусство, 1976.

11. Базанов В.В. Техника изготовления театральных декораций / В.В. База-нов; М.: 1959.

12. Барчаи Е. Анатомия для художников. / Е. Барчаи; Будапешт: Корвина, 1973.

13. Бегун П.И. Биомеханика / П.И. Бегун, Ю.А. Шукейло; СПб: Политехника, 2000.

14. Белецкий В.В. Двуногая ходьба. Модельные задачи динамики и управления/ В.В. Белецкий; М.: Наука, 1984.

15. Белецкий B.B. Динамика космических тросовых систем / В.В. Белецкий, Е.М. Левин; М.: Наука, 1990.

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

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

18. Березкин В.И. Искусство оформления спектакля / В.И. Березкин; М.: Знание, 1986.

19. Бернштейн H.A. О построении движений / H.A. Бернштейн; М.: Мед-гиз, 1947.

20. Бернштейн H.A. Общая биомеханика / H.A. Бернштейн М., 1926

21. Богданов В.А. Элементы биомеханики тела человека. В кн. Физиология движений / В.А. Богданов; Л.: Наука, 1976.

22. Богомолов М.Н. Алгоритмы абсолютной и относительной навигации мобильного роста в среде с недостоверными маяками. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 3-4 дек. 2001. М., Изд-во МГУ, 2001, с. 84 93.

23. Бранков Г. Основы биомеханики / Г. Бранков; М.: Мир, 1981.

24. Буданов В.М., Девянин Е.А. О движении колесных роботов. Прикладная математика и механика (ПММ), том 67, вып. 2, 2003 год.

25. Буданов В.М., Девянин Е.А. Особенности движения колесных роботов неголономных механических систем. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Докл. науч. школы-конф., 7-8 дек. 1999. М., Изд-во Ин-та механики МГУ, 1999, с. 147 - 164.

26. Букштейн М.А. Стальные канаты. Справочное руководство / М.А. Букштейн; М.: Металлургиздат, 1961.

27. Бурдаков С.Ф. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов / С.Ф. Бурдаков, В.А. Дьяченко, А.Н. Тимофеев; М.: Высшая школа, 1986.

28. Василенко В.А. Сплайн-функции. Теория, алгоритмы, программы / В.А. Василенко; Новосибирск: Наука, 1983.

29. Вейц В.Л. Динамика управляемых машинных агрегатов / В.Л. Вейц, М.З. Коловский., А.Е. Кочура; М.: Наука, 1984. - 351с.

30. Великович В.Б. Робототехника в России / В.Б. Великович, Н.Ш. Жаппа-ров, И.П. Кагановский; М.; 1992.

31. Веселовский В.В. Кинематика манипуляторов / В.В. Веселовский; М.: изд. МИЭРА, 1991.

32. Волков А.Н. Разработка и исследование роботов для очистки оконных остеклений промышленных зданий: дис. . канд. техн. наук. Л.: ЛПИ им. М.И.Калинина, 1983, - 203 с.

33. Волков А.Н. Шестистепенные подвесные платформы и их исследование/ А.Н.Волков СПб., из-во СПбГПУ, 2006, 92 с.

34. Волков А.Н., Дьяченко В.А., Медведев C.B., Саратовский C.B. A.c. 1109331 СССР/Устройство для передвижения по гладкой поверхности, произвольно ориентированной в пространстве. БИ №311984.

35. Волков А.Н., Бросалин Б.Б., Дьяченко В.А., Сунгурова Л.П. A.c.1497902 СССР/Устройство для перемещения по гладкой поверхности. -Б.И. №33.-1985.

36. Волков А.Н., Дьяченко В.А., Краснослободцев В.Я. Патент России по заявке 4804846/11/034703/Устройство для передвижения по произвольно ориентированной в пространстве поверхности. Б.И. №21.-1986.

37. Волков А.Н., Дьяченко В.А., Катковник В.Я, Смирнов А.Ю. Принцип построения структурно-адаптивного роботизированного производства // Робототехнические системы: Тез.докл. III Всесоюзной межвузовской конф., Челябинск: изд. ЧПУ.- 1983.-С.49.

38. Волков А.Н., Смирнов А.Ю. Управление размещением модулей структурно-гибкого роботизированного производства // Труды ЛПИ им. М.И.Калинина. Л: изд. ЛПИ; № 410.- 1985.- С.69-73.

39. Волков А.Н., Теория и расчет электромагнитных средства автоматизации // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы науч.-техн.конф. СПб: изд. СПбГТУ. 1997.-С59.

40. Волков А.Н., Алексеев П.В. Динамика быстродействующих цикловых механизмов с линейным электромагнитным приводом // Сб.трудов СПбГТУ.-СПб: издание СПбГТУ; № 481.-1998.-С.54-57.

41. Волков А.Н., Алексеев П.В. Проблемы автоматизации проектирования цикловых приводов // Сб.трудов СПбГТУ. СПб: изд. СПбГТУ; № 510.-1999.-С.24-27.

42. Волков А.Н., Алексеев П.В., Викторов O.A., Ефимов И.Г. Электромагнитный привод современное состояние и перспективы развития // Науно-техн. ведомости СПбГТУ. СПб: изд. СПбГТУ; № 3 (17).-1998. -С.96-100.

43. Волков А.Н., Кочетков A.B. Динамика быстродействующего циклового привода с линейным двигателем // Вестник машиностроения М: Машиностроение; № 6.-1999. С. 19-21.

44. Волков А.Н., Соколов В.А. Проблемы проектирования демонстрационных роботов // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы III Всероссийской научно-техн. конф. СПб: изд. СПбГПУ.- 1999.-С.39.

45. Волков А.Н., Смородов П.В. Трехкоординатный домкрат // Робототех-нические системы для работы в экстремальных условиях: Материалы науч.-практ. конф. СПб: изд. СП6ГПУ.-2001. С.47.

46. Волков А.Н., Павлова C.B. Манипуляторы с параллельными кинематическими цепями и дискретными приводами // Робототехнические системы для работы в экстремальных условиях: Материалы науч.-практ. конф. СПб: изд. СПбГПУ. 2001. - С.54.

47. Волков А.Н. Машинное оснащение современного театра // Научно-технические ведомости СПбГТУ. -СПб: изд. СПбГТУ; №4(34). . 2003. -С.97-105.

48. Волков А.Н. Мехатроника театральной сцены // Мехатроника, автоматизация, управление (МАУХ2004): Материалы всероссийской науч.-техн.конф.с международным участием. Владимир: изд. ВГУ. 2004 С. 57-61.

49. Волков А.Н., Смородов П.В.Челпанов И.Б. Задачи механики современного театра // IV Международый конгресс «Машиностроительные технологии л04»: Сб. докл. т.5. Варна, Болгария: 2004. - С.99-100.

50. Волков А.Н., Смородов А.В. Построение сечений рабочей области платформы Стюарта // IV Международый конгресс «Машиностроительные технологии л04»: Сборник докладов т.5. Варна, Болгария: 2004. - С. 101-124.

51. Волков А.Н., Смородов П.В., Чел панов И.Б. Демонстрационные роботы на сцене театра: фигуры великанов в тетралогии Вагнера «Кольцо нибелунга» // Теория механизмов и машин, № 3, СПб, 2004. С. 70-76.

52. Волков А.Н. Шестистепенные подвесные платформы и их исследование. СПб, изд. СПбГПУ, 2006, 92 с.

53. Волков А.Н., Мархадаев Б.М. Перспективы создания погрузочно-разгрузочного оборудования на базе шестистепенных платформ // Вестник ИрГТУ. Иркутск: изд. ИрГТУ; №3. - 2005. - С. 32-36.

54. Волков А.Н. Подвижные конструкции на сцене современного театра // Конструктор-машиностроитель,- СПб: №6. 2005. -С.20-23.

55. Волков А.Н. Имитация сцен разрушений и катастроф на сцене современного театра // Научные исследования и инновационная деятельность: Материалы науч.-практ.конф. СПб.: изд. СПбГПУ. 2006. - С. 41.

56. Волков А.Н. Новые технологии в постановке современных спектаклей // Научные исследования и инновационная деятельность: Материалы науч.-практ.конф. СПб.: изд. СПбГПУ. 2006. - С.43.

57. Волков А.Н, Челпанов И.Б. Механика имитации сцен разрушений и катастроф на сцене театра // Проблемы механики современных машин:

58. Материалы III международной конф. Улан-Удэ: изд. ВСГТУ, Улан-Удэ, 2006. С.73-74.

59. Волков А.Н. Механика сцены современного театра// IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике: Аннотации докладов. Нижний Новгород: изд. НГУ; т.1.- 2006.- С.34-35.

60. Волков А.Н., Ситкин Д.С. Транспортно-манипуляционные системы на базе шестистепенных подвесных платформ // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование.-Тула: изд. Тул.ГУ; Вып. 7.- 2006. С. 128-135.

61. Волков А.Н., Ситкин Д.С. Задачи динамики управляемого полета над сценой в современных театральных постановках // Научно-технические ведомости СПбГТУ.- СПб: изд. СПбГПУ; № 5-1(47). 2006.- С. 218-222.

62. Волков А.Н., Быстродействующие цикловые приводы // Формирование технической политики инновационных наукоёмких технологий: Материалы научно-практической конференции и школы семинара: изд. СПбГТУ.-2001.- С.35.

63. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы / М. Вукобратович; М.: Мир, 1976.

64. Гаврюшин С.С. Гибкие элементы с управляемой упругой деформацией / С.С. Гаврюшин, О.О. Барышникова // В сб. «Проблемы механики современных машин»; Улан-Удэ, 2000.

65. Глазер Р. Очерк основ биомеханики / Р. Глазер // Под ред. С.А. Регире-ра; М.: Мир, 1988

66. Головин A.A. Механический аналог гусеницы / A.A. Головин,Ю.А. Гладков // В сб. «Проблемы механики современных машин»; Улан-Удэ, 2000.

67. ГОСТ 25686-85 Роботы промышленные. Термины и определения.

68. Гуань Цзянь. Исследование механики транспортных роботов, предназначенных для перемещения по техногенным средам: дис. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 1999, - 223 с.

69. Гурфинкель B.C. Биомеханические основы построения движений / B.C. Гурфинкель, C.B. Фомин // В кн. Некоторые вопросы мехаики роботов и биомеханики; Изд. МГУ, 1978.

70. Гусев Д.М., Мартыненко Ю.Г. Об одном способе вибрационного ускорения колесного робота. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 3-4 дек. 2001. М., Изд-во Моск. унта, 2001, с. 14-28.

71. Гусев Д.М., Мартыненко Ю.Г. Об использовании волоконооптическо-го гироскопа в задачи навигации мобильного робота/ В сб.: Мобильныероботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 3-4 дек. 2001. М., Изд-во Моск. ун-та, 2001, с. 14 28.

72. Девянин Е.А. О движении колесных роботов // Доклады научной школы конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы». Москва, 1 -3 декабря 1998 года. М.: НИИ механики МГУ, 1998. С. 169 200.

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

74. Донской Д.Д. Биомеханика физических упражнений /Д.Д. Донской; М. Физкультура и спорт, 1960.

75. Донской Д.Д. Биомеханика / Д.Д. Донской, В.М. Зациорский; М.: Физкультура и спорт, 1979.

76. Дюкенджиев Е. Биотехническая робототехника / Е. Дюкенджиев; Рига: Рижский технический университет, 1995

77. Емельянов С.Н., Платонов А.К., Ярошевский B.C. Система управления полноприводного трехколесного движителя. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 5-6 дек. 2000. М., Изд-во Моск. ун-та, 2000, с. 89 99.

78. Жавнер B.JL, Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. J1.: Машиностроение, 1975. 160 с.

79. Жавнер B.JL, Трояновский И.В. Сравнительный анализ кинематических схем промышленных роботов и манипуляторов по точности позиционирования // Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств. Л., 1976. С. 66 69.

80. Жандо Д. История мирового цирка / Д. Жандо; М.: Искусство, 1984.

81. Завьялов Ю.С. Сплайны в инженерной геометрии / Ю.С. Завьялов, В.А. Леус, В.А. Скороспелов; М.: Машиностроение, 1985.

82. Зацепин М.Ф., Новожилов И.В. Уравнения движения механических систем в избыточном наборе переменных: Сб. научно-метод. статей по теоретической механике. Вып. 18.-М.: Высш. шк., 1986. 136 с.

83. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, A.C. Аруин, В.Н. Селуянов; М.: Физкультура и спорт, 1981.

84. Заявлин Г.А. Постановочная часть театра / Г.А. Заявлин М.: Искусство, 1953.

85. Зенкевич С.Л. Управление роботами / С.Л. Зенкевич, A.C. Ющенко; -М.: изд. МГТУ им Н.Э.Баумана, 2000.

86. Зенкевич С.Л., Назарова A.B., Лисицын Д.М. Моделирование движения мобильного робота по сложному марщруту. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 5-6 дек. 2000. М., Изд-во Моск. ун-та, 2000, с. 14 27.

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

88. Знаменский И.С. Отработка динамики демонстрационных роботов / И.С. Знаменский, И.Б. Челпанов // Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXX недели науки СПбГТУ. СПб: Издательство СПбГТУ, 2002.

89. Иваненко И.Б. Механика промышленных роботов / И.Б. Иваненко, Г.Ф. Радченко; Киев: Общ. «Знание», 1981.

90. Иванов Б.С. Электронные игрушки / Б.С. Иванов; М.: Радио и связь, 1988.

91. Игнатьев М.Б. Голономные автоматические системы/ изд.АН СССР. М -Л, 1963.

92. История западноевропейского театра. В 7-ми томах. М.: Искусство, 1970-85.

93. История зарубежного театра. В 3-х частях / Под ред. Г.Н. Бояджиева; -М.: Просвещение, 1971-77.

94. Казменский В.И. Художник и театр / В.И. Казменский, Э.П. Фрезе; -М.: Сов. художник, 1975.

95. Кобрин А.И., Мартыненко Ю.Г. Неголономная динамика мобильных роботов и ее моделирование в реальном времени. В сб.: Мобильные роботы и мехатронные системы. Докл. науч. школы-конф., 1-3 дек. 1998. М., Изд-во Ин-та механики МГУ, 1998, с. 107 123.

96. Кожевников С.Н. Динамика машин с упругими звеньями / С.Н. Кожевников Киев : Изд. АН УССР, 1961.

97. Кожевников С.Н. Механизмы / С.Н. Кожевников, Я.И. Есипенко, Я.М. Раскин; М.: Машиностроение, 1976.

98. ЮО.Коловский М.З. Теория механизмов и машин / М.З. Коловский // Структура машин и механизмов. Геометрический и кинематический анализ. СПб: СПбГТУ, 1993.

99. Коловский М.З. Основы динамики промышленных роботов / М.З. Коловский, А.В. Слоущ; М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.

100. Колчин Н.И. Механика машин. Том 1. М. Л., Машгиз, 1962, 550 с.

101. Колчин Н.И. Механика машин. Том 2. М. Л., Машгиз, 1963, 535 с.

102. Корендясев А.И. Манипуляционные системы роботов / А.И. Корендя-сев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; М.: Машиностроение, 1989.

103. Корендясев А.И. Теоретические основы робототехники. Книга 1. / А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; М.: Наука, 2006.

104. Корендясев А.И. Теоретические основы робототехники. Книга 2. / А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; М.: Наука, 2006.

105. Коренев Г.В. Введение в механику человека / Г.В. Коренев; М.: Наука, 1977.

106. Королев М.М. Искусство театра кукол / М.М. Королев; Л.: Искусство,1973.

107. Коссаковский A.B. Техника постройки декораций / A.B. Коссаковский; М.: 1954.

108. Котельников А.П. Винтовое счисление и некоторые приложения его к геометрии и механике./А.П.Котельников; Казань: 1985.

109. Кочетков A.B. Динамика промышленных роботов / A.B. Кочетков, И.Б. Челпанов, Б.М. Бржозовский; Саратов: СГТУ, 1999.

110. Кочетков A.B. Транспортные промышленные роботы, перемещающиеся по сооружениям и конструкциям / A.B. Кочетков, И.Б. Челпанов, И.А. Будько, Гуань Цзянь // Автоматизация и современные технологии. 1997, № 11.

111. Крайнев А.Ф., Глазунов В.А. Новые механизмы относительного манипулирования// Проблемы машиностроения и надежности машин. 1994, №5.

112. Красовская В.М. Западноевропейский балетный театр. Очерки истории / В.М. Красовская; Л.: Искусство, 1981.

113. Курс теоретической механики. //Под ред. К.С.Колесникова. М.: изд. МГУ им. Н.Э.Баумана, 2000.

114. Лебединский А. Театр в чемодане / А. Лебединский; М.: Искусство, 1977.

115. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин / Н.И. Левитский; М.; Наука, 1979.

116. Лелявский А. Театр кукол / А. Лелявский; Минск: Народная асвета,1974.

117. Литинецкий И.Б. Бионика. Пособие для учителей. / И.Б. Литинецкий; -М.: Просвещение, 1976.

118. Лойцянский Л.Г. Курс теоретической механики / Л.Г. Лойцянский, А.И. Лурье; М.: Изд-во техн.-теор. лит-ры, 1955.

119. Лурье А.И. Аналитическая механика / А.И. Лурье; М.: Физматгиз. 1961.

120. Макаров И.М. Робототехника: история и перспективы / И.М. Макаров, Ю.И. Топчеев; М.: Наука, Изд. МАИ, 2003.

121. Манипуляционные системы роботов / Под ред. А.И. Корендясева; М.: Машиностроение, 1989.

122. Маркеев А.П. О динамике катящегося тела и некоторых курьезных свойствах вращающегося волчка // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. №9. С. 96- 103.

123. Мартыненко Ю.Г. Инерциальная навигация // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №8. С. 102 108.

124. Мартыненко Ю.Г. Динамика мобильных роботов. Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, №5.

125. Мартыненко Ю.Г. Проблемы управления и динамики мобильных роботов. Новости искусственного интеллекта, 2002, №4 (52), с. 18-23.

126. Мартыненко Ю.Г., Кобрин А.И., Ленский A.B. Неголономная динамика, управление и устойчивость мобильных роботов. В сб.: 8-й Всероссийский съезд по теор. и приклад, мех. Аннот. докл. Екатеринбург, УрО РАН, 2001, с. 330-331.

127. Мацкевич В.В. Занимательная анатомия роботов / В.В. Мацкевич; М.: Радио и связь, 1988.

128. Механика промышленных роботов. В 3-х книгах / Под ред. К.В. Фролова, Е.И. Воробьева; М.: Высш. шк, 1989.

129. Мобильные роботы и мехатронные системы // Доклады междунар. школы-конфер, М.: МГУ, 1998.

130. Мокульский С.С. История западноевропейского театра / С.С. Мокуль-ский; М.-Л, 1939.

131. Мокульский С.С. О театре / С.С. Мокульский; М.: Искусство, 1963

132. Мунипов В.М. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды / В.М. Мунипов; М.: Логос, 2001.

133. Не счесть у робота профессий / Под ред. П.Марша; М.: «Мир», 1987.

134. Никифоров С.О., Челпанов И.Б., Знаменский И.С., Соколов В.А., Мандаров Э.Б. Демонстрационные роботы: цели создания, разновидности и задачи механики. // Мат-лы междунар. конференции « Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2000.

135. Оборудование механическое театрально-зрелищных предприятий.

136. Термины и определения. Отраслевой стандарт. ОСТ 43-38 82.

137. Охоцимский Д.Е. Механика и управление движением автоматического шагающего автомата / Д.Е. Охоцимский, Ю.Ф. Голубев; М.: Наука, 1984.

138. Охоцимский Д.Е., Павловский В.Е., Плахов А.Г., Туганов А.Н. Система моделирования игры роботов-футболистов. В сб. Мобильные роботы и мехатронные системы. Матер, науч. школы-конф., 5-6 дек. 2000. М., Изд-во Моск. ун-та, 2000, с. 192 203.

139. Охоцимский Д.Е., Павловский В.Е., Плахов А.Г., Туганов А.Н., Павловский В.В. Моделирование игры роботов-футболистов в пакете «Виртуальный футбол»// Мехатроника, №1, 2002, с. 2 5.

140. Павловский В.Е., Евграфов В.В., Павловский В.В. Планирование и реализация гладких движений мобильного робота с дифференциальным приводом. // Тр. 9 Междунар. Конф. "Stability, Control and Rigid Bodies Dynamics", ICSCD 2005, c. 54 - 55.

141. Пейсах Э.Е. Синтез шарнирного четырехзвенника. Выпуск 1. Журнал: Механика машин, выпуск 42. М.: Наука, 1973.

142. Пейсах Э.Е. Справочные карты по синтезу шарнирного шестизвенника. Журнал: Механика машин, выпуск 44. М.: Наука, 1974.

143. Пейсах Э.И. О терминологии по теории механизмов и машин // Теория механизмов и машин, № 2, Том 2, СПб, 2004.

144. Пересвет П.С. Расчет театральных станков на прочность / П.С. Пересвет; JI.-M.: Искусство, 1941.

145. Петров A.A. Англо-русский словарь по робототехнике / A.A. Петров, Е.К.Масловский; М.: Русский язык, 1989.

146. Петров Б.А. Манипуляторы / Б.А. Петров; М.Машиностроение, 1984.

147. Петров Г.Н. Теория механизмов и машин. Расчет машинного агрегата / Г.Н. Петров, И.О. Хлебосолов; СПб: СПбГТУ, 1997.

148. Платонов А.К. Задача «полуслепого инерционного коммивояжера». В сб.: Мобильные роботы и мехатроннные системы. Матер, науч. школы-конф., 3-4 дек. 2001. М., Изд-во Моск. ун-та, 2001, с. 94 108.

149. Пожарская М.Н. Русское театрально-декорационное искусство конца XIX -начала XX века / М.Н. Пожарская; М.:Искусство, 1970.

150. Поздеев Д.А. Динамика приводов промышленных роботов манипуляторов. Учеб. пособие. / Д.А. Поздеев; - Чебоксары , 1990.

151. Поляхов H.H. Теоретическая механика / H.H. Поляхов, С.А. Зегжда, М.П. Юшков; М.: Высшая школа, 2000.

152. Понсов А.Д. Конструкции и технология изготовления театральных декораций / А.Д. Понсов; М.: Искусство, 1988.

153. Попов Е.П. Основы робототехники: введение в специальность. Учебник для вузов / Е.П. Попов, Г.В. Письменный; М.: Высш. Шк. 1990.

154. Правила техники безопасности для театров и концертных залов -М.: 1998.

155. Привес М.Г. Анатомия человека / М.Г. Привес, Н.К. Лысенков, В.И. Бушкович; СПб: Изд. Гиппократ, 2002.

156. Проектирование и разработка промышленных роботов / Под ред. П.Н. Белянина, Я.А. Шифрина; М.: Машиностроение, 1989.

157. Рывин В.Я. Конструирование и расчет театральных декораций. Учебное пособие / В.Я. Рывин Л.: Ленингр. гос. институт театра, музыки и кинематографии. 1982.

158. Саму сев Р.П. Атлас анатомии человека. / Р.П. Самусев, В.Я. Липченко; -М.: Изд. дом «Мир и образование», 2002.

159. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей / В.А. Светлиц-кий; М.: Машиностроение, 1978.

160. Светлицкий В.А. Механика стержней. 4.1 Статика, 4.2. - Динамика / В.А. Светлицкий; - М.: Высшая школа, 1987.

161. Светлицкий В.А. Передачи с гибкой связью. Теория и расчет. / В.А. Светлицкий; М.: Машиностроение, 1967

162. Светлицкий В.А. Упругие элементы машин / В.А. Светлицкий, О.С. Нарайкин; М.: Машиностроение, 1989.

163. Сеченов И.М. Очерк рабочих движений человека / И.М. Сеченов; М., 1901.

164. Слюсарев А.Н. Механические системы промышленных роботов / А.Н. Слюсарев, М.В. Малахов, H.A. Нейбергер; М.: Машиностроение, 1992.

165. Смирнова Н.И. И оживают куклы / Н.И. Смирнова; М.: Просвещение, 1982.

166. Смирнова Н.И. Искусство играющих кукол. Смена театральных систем. / Н.И. Смирнова; М.: Искусство, 1983.

167. Смородов A.B. Анализ и синтез манипуляционных роботов с механизмами параллельной структуры: дис. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 2004, - 258 с.

168. Смородов П.В. Демонстрационные роботы для театральной сцены: дис. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 2005, - 273 с.

169. Советов В.М. Театральные куклы (технология изготовления). В.М. Советов; СПб: изд. СПбГАТИ, 2003.

170. Талдыкин M.B. Шагающий механизм на основе упругой волнообразно деформируемой поверхности / М.В. Талдыкин // В сб. «Проблемы механики современных машин»; Улан-Удэ, 2000.

171. Тахвелидзе Д.Д. Методы исследований и расчета исполнительных механизмов манипуляционных роботов / Д.Д. Тахвелидзе; Тбилиси: Изд-во ун-та, 1984.

172. Театральная энциклопедия. В 5-ти томах / Под ред. С.С. Мокульского; -М., 1961-67.

173. Топчеев Ю.И. Люди и роботы / Ю.И. Топчеев, И.М. Макаров; М.: Изд МАИ, 1999.

174. Урмакшинова Е.Р. Методы расчета и проектирования антропоморфных демонстрационных роботов. Кандидатская диссертация. СПбГПУ, 2003.

175. Федотов А.Я. Секреты театра кукол/ АЛ.Федотов; М: Искусство, 1963.

176. Федюнин А.Е. Математическое моделирование гибкой руки робота-манипулятора / А.Е. Федюнин, К.П. Андрейченко, А.Б. Смарунь // Вестник высш. Школы МВД РФ, 1998, № 2.

177. Формальский А.М. Перемещение антропоморфных механизмов / A.M. Формальский; М.: Наука, 1982.

178. Фу К. Робототехника/К.Фу, Р.Гонсалес, К.Ли. -М.,"Мир", 1989.

179. Царев М.И. Мир театра / М.И. Царев; М.: Просвещение, 1987.

180. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов / И.Б. Челпанов 2-ое изд; СПб: Политехника, 2001.

181. Черноусько Ф.Л. Манипуляционные роботы / Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотник, В.Г. Градецкий; М.: Наука, 1989.

182. Чистяков А.Ю. Роботизированные системы с механизмами параллельной структуры на основе подвесных платформ: дис. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 2006, - 316 с.

183. Шапошников П.В. Механика роботов, перемещающихся по пространственным конструкциям на захватных устройствах: дис.канд. техн. наук.- СПб.: СПбГПУ, 2004.

184. Шолуха В.А. Принципы построения адекватных математических моделей для исследования динамики антропоморфных механизмов: дис.док. техн. наук.- СПб.: СПбГТУ, 2001.

185. Шувалов В.Н. Машины автоматы и поточные линии пищевой промышленности. М. - Л.: Машиностроение, 1966.

186. Шухардин C.B. История науки и техники с древнейших времен до конца XVIII века / C.B. Шухардин; М.: Моск.историко-архит. ин-т, 1974.

187. Экскузович И.В. Техника театральной сцены в прошлом и настоящем.

188. Электроника в театре // Сб. статей. М.: Знание, 1983.

189. Bonev I. A., Ryu J., 1999, "Orientation Workspace Analysis of 6-DOF Parallel Manipulators", ASME Design Engineering Technical Conferences (DETC'99), Las Vegas, NV, September 12-15.

190. Bottema O., Roth В., "Theoretical Kinematics," Chapter 4, North-Holland, Armsterdam, 1979.

191. Di Gregorio R., Parenti-Castelli V., 1998, "A Translational 3-DOF Parallel Manipulator," Advances in Robot Kinematics: Analysis and Control, J. Lenarcic and M. L. Husty (eds.), Kluwer Academic Publishers, pp. 49-58.

192. Di Gregorio R., 2001, "Statics and Singularity Loci of the 3-UPU Wrist," IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM'01), Como, Italy, My 8-11

193. Gosselin C., Angeles J., 1990, "Singularity Analysis of Closed-Loop Kinematic Chains," IEEE Transactions on Robotics and Automations, Vol. 6, No. 3, pp. 281-290

194. Hervé J.M, "The Lie Group of Rigid Body Displacements, a Fundamental Tool for Mechanism Design," Mechanism and Machine Theory, Vol. 34, pp. 719-730, 1999.

195. Hirose S. Introduction of "Intelligent Sport" // J. Robotics and Mechatronics. 1998. Vol. 10, №1. P. 2-6.

196. Huang Z. Fang Y.F., "Kinematic Characteristics Analysis of 3-DOF InParallel Actuated Pyramid Mechanism, "Mechanism and Machine Theory, Vol. 31, pp. 1009-1018, 1996.

197. Huang Z., Li Q.C., "Some Novel Minor-Mobility Parallel Mechanisms," Proceedings of the Parallel Kinematics Seminar, Fraunhofer IWU, Chemnitz, pp. 895-905, April 23-25, 2002.

198. Hunt К. H., 1978, Kinematic Geometry of Mechanisms, Oxford University Press

199. Huynh P., Hervé J.M., "Equivalent Kinematic Chains with Planar-Spherical Bonds Application to the Development of 3-DOF 3-RPS Parallel Mechanism," Proceedings RAAD'03, Cassino, May 7-10, 2003.

200. Karger A., Husty M., "On Self-Motions of a Class of Parallel Manipulators," J. Lenarcic and V. Parenti-Castelli (eds.), Kluwer Academic Publishers, pp. 339-348, 1996.

201. Karouia M., Hervé J. M., 2000, "A Three-DOF Tripod For Generating Spherical Rotation," Advances in Robot Kinematics, J. Lenarcic and M. M. Stanisic (eds.), Kluwer Academic Publishers, pp. 395-402.

202. Karouia M., Hervé J.M., "A Family of Novel Orientational 3-DOF Parallel Robots," RoManSy 14, pp. 359-368, Springer Vienna, 2002.

203. Kolmanovsky V.B., McClamroch N.H. Developments in non-holonomic control problem. IEEE Control Systems, 1995, v. 15, №6, p. 20 36.

204. Lee K.-M., Shah D.K., "Kinematic Analysis of a Three-Degrees-of-Freedom In-Parallel Actuated Manipulator," Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation, Raleigh, USA, Vol. 1, pp. 345-350, 1987.

205. Ma O., Angeles J., "Architecture Singularities of Platform Manipulators," Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, CA, USA, April 11-14, pp. 1542-1547, 1992.

206. Merlet J.-P., "The Design of MIPS Micro-Robot for Endoscopy Applications," ERCIM News, No. 42, July 2000.

207. Park F.C., Kim J.W., 1999, "Singularity Analysis of Closed Kinematic Chains," ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 121, pp. 32-38.

208. Samson C. Time-varying feedback stabilization of car-like wheeled mobile robots. Int. J. Robotics Recearch, 1993, v. 13, №1, p. 55 64.

209. Sheng Z., Yamafuji K., Ulyanov S.V. Study of the stability and motion control of a unicycle. J. Robotics and Mechatronics, 1996, v. 8, №6, p. 571 579.

210. Tsai L.-W., 1996, "Kinematics of a Three-DOF Platform With Three Extensible Limbs," Recent Advances in Robot Kinematics, J. Lenarcic and V. Par-enti-Castelli (eds.), Kluwer Academic Publishers, pp. 401-410.

211. Tsai L.-W., "Kinematics and Optimization of a Spatial 3-UPU Parallel Manipulator," ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 122, pp. 439-446, December, 2000.

212. Zlatanov D., Fenton R. G., Benhabib B., 1994, "Singularity Analysis of Mechanism and Robots Via a Motion-Space Model of the Instantaneous Kinematics," Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, San Diego, CA, pp. 980-985.

213. Zlatanov D. Generalized Singularity Analysis of Mechanisms, Ph.D. thesis, University of Toronto, Canada, 1998.

214. Zlatanov D., Gosselin C.M., "A Family of New Parallel Architectures with Four Degrees of Freedom," EJCK, Vol. 1, No. 1, paper 6, 2002.1. Аттг%1. V 1^-ЕШШ ^<-0-11 У

215. ИНН 7825662223 КПП 780601001 ОГРН 10378Ш261701. Аттестаты аккредитации:

216. С Ла'РОСС Ки.0001.11МБП, ИЦХгЬОСС М!.00()1.22МЬ22 шдьемно-транспортного оборудования.;■■

217. Лицензии Госгортсхнадчора России на право проведения жеиертичы промышленной бсюпясносги Л»00-ДЭ-001467 (К) и ЛзОО-ДЭ-002021 (К)

218. УТВЕРЖДАЮ» тор ЗАО «РАТ'ГЕ»1. Бортяков Д.Е.1. Ш 2007 г.:1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Волкова А.Н. «Робототехнические и мехатронные системы театральной машинерии»

219. Мехатронный модуль «Часы» для спектакля «Золушка». В основу модуля положена схема с параллельно-последовательными кинематическими цепями и гибкими звеньями.

220. Зооморфный демонстрационный робот «Паук» для спектакля «Борис Годунов». В основу робота положена схема с параллельно-последовательными кинематическими цепями и гибкими звеньями.

221. Мехатронная подъемно-опускная площадка для спектакля «Турандот».

222. Антропоморфный робот параллельной структуры с гибкими кинематическими звеньями «Богиня» для спектакля «Турандот».

223. ИНН '7825642215 8Щ;Й060Ш« ОГРН ИІ37Ш026І70ггсстаты аккреди гааи и:к: ЛіРОССШІ.ОООІ.ІШІіи, ИЦ№РОСС іи;.00(И.22МБ22 і одь ем но-тра н с и о ріпо ю оборудования

224. Лицензии Госгортехнадзора России ііа прапо проведения экспертты промышленной безопасности Л'«00-ДЭ-001467 (К) и ЛаОО-Д')-002(121 (К)

225. Антропоморфный робот «Великан» с параллельно-последовательными кинематическими цепями и гибкими звеньями для тетралогии «Кольцо нибе-лунга».

226. Антропоморфные роботы «Бахус» и «Русалка» и мехатронный модуль декорации «Яйцо» для спектакля «Щелкунчик».

227. Мехатронный модуль «Веер» (модернизация) для спектакля «Обручение в монастыре».

228. Подвесная платформа с гибкими кинематическими цепями для спектакля «Мазепа».

229. Технический и рабочий проекты сценической механики Студии театрального искусства, г. Москва.

230. Председатель комиссии: Технический директор1. Плотников Г.В,

231. Члены комиссии: Старший экепд;1. Цинман М.А.1. Старший инженер1. Анисимова О.Н.m19101 S, г. Санкт-Петербург Шпалерная уд, д. 48. офис 1тт 5797372, фаю; 57968Ш^те1(ГМгта81@ша')1.ш

232. Театфально-декорацио^ые мастерские'от200/гщм»1. Струе» В.М.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Волкова Андрея Николаевича

233. Робот отех н ичес кие и мехатронные системы театральной машинерии»

234. ЗАО 'Театрал ьно-дако рационные мастерские" Нй от 2007 суев В.М.1. А1ГГоб иснольшкании результатов диссертационной работы Волкова Андрея Николаевича » Рооототехннческие и мехатронные системы театральной машинерим.»

235. HW комиссии, L iaBHtü о ч удожн и ка-тсхнол oi а1. Машукое C.B.ор1. Брегман М.Л.

236. HfflS, г, СашММаЩя; Мщерная ул., д. 48, офис1 ~ теп. 5797372, фвис 5796859, e-mail: tdmast@rail ru

237. ЗАО "Театралшо-декорзционные мастерские"1. N2 от 2007 с1. УТВЕ1. Ген.дирек.ор1. Йгев В.М,1. АКТоб иепояьзовщии результатов диссертационной работы Волкова Андрея Николаевича «Робототехиические и мехатронные системы театральной машинерии»

238. ЗАО "Театрально-декорационные мастерские'1. АКТев В.М.об использовании результатов диссертационной работы Волкова Андрея Николаевича <л Робо і о і с хн инее кие н мехйірониьіс сие іемьі геаірадьнои машинерии»

239. Председатель комиссии: ТЄХШ1ЧЄЄКИЙ директор1. Бер вал ьд A.B.1. Я8®!Яшишщ;тт. 5797372; факс 5796859, e-mail tdrnast@rnaü аГ

240. ЗАО "Театральнеьдекорацйонше мастерские*1. УТВЕРЖДАЮ1. Струев В,М.об использовании результатов диссертационной работы Волкова Андрея Николаевича «Робототехнические и мехатронные системы театральной машинерии»

241. Ьяавного художника-технолога1. Шаі

242. Автономная некоммерческая организация

243. АССОЦИАЦИЯ ЦЕНТРОВ ИНЖИНИРИНГА И АВТОМАТИЗАЦИИ»195251, Россия,1. Санкт-Петербург,ул. Политехническая, 29,

244. Дата: 15.06.07 Исх. №: 27/12 Кол, стр. 11. Тел.: Факс/Тел. E-mail:812. 552 7780 (812) 552 - 7563 abl@acea.neva.ru

245. УТВЕРЖДАЮ Исполнительный директор АЦИА д. Т.н.,1. Ю.Р.Нурулин1. АКТ2Шг.об использовании результатов диссертационной работы Волкова А.Н. «Робототехнические и мехатронные системы театральной машинерии»

246. Локомоционные роботы «Купола» с супервизорным управлением для спектакля «Борис Годунов».

247. Мобильный робот «Труба» повышенной маневренности для спектакля «Нос».

248. Мобильный автономный робот «Лодка» для спектакля «Мадам Баттерфляй».