Анализ и синтез манипуляционных роботов с механизмами параллельной структуры

Актуальность темы

.

К настоящему времени разнообразие роботов, классифицируемых по назначению, характерным признакам принципиального, схемного и конструктивного решений, чрезвычайно широко, что лишь отчасти отражено в монографической и учебной литературе [3], [4], [5], [7], [8], [9], [13], [14], [15], [18], [19], [20], [21], [27], [28], [29], [31], [32]. и в стандартах [25]. В большинстве случаев манипуляторы роботов имеют незамкнутые кинематические цепи, т. е. они имеют механизмы последовательной структуры.

Механизмы с параллельными кинематическими цепями (механизмы параллельной структуры) обладают рядом важных достоинств, таких как высокая жесткость, точность, надежность, компактность. Известны примеры удачных конструкций станков, стендов и другого оборудования различного назначения, построенных на механизмах параллельной структуры. Но приходится констатировать, что в настоящее время, ввиду некоторых причин, они пока мало используются в робототехнике. Среди этих причин сложность управления данными манипуляторами и недостаточная проработанность методик, которые позволяли бы получать как оптимальные варианты конструкций, так и наиболее подходящие для выбранной конструкции алгоритмы автоматического или автоматизированного управления приводами.

Недостаточная глубина исследования механики манипуляторов с параллельными кинематическими цепями объясняется высокой сложностью и, в общем случае, неоднозначностью аналитического решения обратной задачи геометрии и кинематики. Однако, уровень развития компьютерных технологий на сегодняшний день, позволяет применять эффективные численные мстоды, для решения многих задач расчета и оптимизации при проектировании манипуляторов данного типа.

В связи с этим особую актуальность приобретает задача исследования возможности оптимизации геометрических, кинематических, статических и динамических параметров роботов, имеющих манипуляторы с механизмами параллельной структуры, и разработать научные основы методик их расчета и проектирования.

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

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

1. Определение конфигураций и значений параметров рабочих зон при разном размещении рабочих органов на многостепенной подвижной платформе при ограничениях по ходам приводов при различном числе степеней подвижности.

2. Для типовых схем с различным числом степеней подвижности геометрический синтез схем манипуляторов, включая решение прямой и обратной задач геометрического анализа манипуляторов.

3. Исследование распределений нагрузок на звенья механизмов манипуляторов параллельной структуры для статических режимов.

4. Постановка, формализация и решение ряда задач динамики манипуляторов с жесткими и с упругими звеньями.

5. Структурная и параметрическая оптимизация механизмов манипуляторов параллельной структуры, разработка рекомендаций по выбору оптимальных значений параметров системы управления манипулятором.

6. Проверка на макете новых схемных решений механизмов манипуляторов параллельной структуры с вращательными кинематическими парами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Систематизацию типов кинематических схем многостепенных механизмов параллельной структуры для пространственных перемещений подвижных платформ с учетом свойств кинематических пар целесообразно производить на основе структурной формулы (1.2).

2. Определены возможности механизмов параллельной структуры последовательно с тремя, четырьмя, пятью и шестью степенями подвижности, для них проведен анализ рабочих зон, диапазонов линейных перемещений и углов поворота рабочих органов.

3. Исследовано влияние на рабочие зоны манипуляторов с механизмами параллельной структуры ограничений на хода приводов, на непересечение элементов, на обход особых положений.

4. Рассмотрено и систематизировано многообразие возможностей по выбору мест расположения кинематических пар, по объединению шарниров и ориентации осей приводовсформулированы и обоснованы предложения по выбору вариантов схем.

5. Разработаны основы методик расчета сил в звеньях механизмов параллельной структуры для статических и динамических режимов работы.

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

Методы исследования.

Геометрические, кинематические и динамические характеристики манипуляторов исследовались с использованием методов аналитической, геометрии, теории механизмов и машин, теоретической и аналитической механики [1], [2], [4], [12], [13], [14], [16], [21], [23], [24], [28], [30], [32], [35], [40], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50] и др. При решении задач динамики на ЭВМ, использовались стандартные численные методы решения дифференциальных уравнений, а также языки программирования «Borland С++ Builder», «Assembler» при составлении программ были использованы пакеты математических вычислений «Maple» и «MathCad». Для разработки электронных схем сопряжения макета манипулятора с ЭВМ был использован пакет «Proteus Lite».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях кафедры «Автоматы» СПбГПУ и в ЦНИИ РТК (С-Петербург), а также на международной научно-технической конференции МТ'04 в Варне (Болгария). По результатам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Практическая ценность работы.

1. Разработана инженерная методика расчета и компьютерная программа для определения рабочей зоны манипуляторов с параллельными кинематическими цепями.

2. Разработана методика и программа для определения точности отработки программных траекторий для манипуляторов с жесткими и с упругими звеньями.

3. Разработана классификация основных компонентов манипуляторов данного типа, которая может быть положена в основу специализированных баз данных.

4. Предложена новая схема манипулятора вращательными приводами. Разработан действующий макет манипулятора в котором реализована рычажная схема с вращательными приводами и система ручного управления состоящая из компьютерной программы и модуля сопряжения манипулятора с компьютером.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из пяти глав, Заключения и списка литературы. Первая глава содержит описание основных принципов построения, примеры реализации механизмов с параллельными кинематическими цепями, историю их развития и современные разработки передовых европейских фирм, структурный анализ механизмов с параллельными кинематическими цепями, приводится классификация схем механизмов данного типа. Схемы классифицированы на основе следующих признаков: число степеней свободы механизма, число соединительных цепей, общее число степеней свободы и число нар разных классов в каждой соединительной цепи (табл. 1.2).

Существенным признаком, значительно расширяющим классификацию, является количество приводов в каждой соединительной кинематической цепи. Результаты классификации с учетом этого признака сведены в (табл. 1.3) В конце главы формулируются основные задачи исследования в диссертации.

Во второй главе приводятся различные методики решения задачи о положении рабочего органа. Рассматривается решение путем линеаризации задачи и решение с применением алгебры винтов.

В третьей главе рассматриваются схемы трех-, четырехи пятии шестистепенных манипуляторов с параллельными кинематическими цепями, их особенности, формы и габаритные параметры рабочих зон, сферы возможного применения, указаны достоинства и недостатки каждой из схем.

Также приводится описание нескольких оригинальных вариантов схем исполнения одиночных и сдвоенных двухи трехстепенных шарниров с пересекающимися в одной точке осями сопрягаемых звеньев.

В четвертой главе дорабатываются стандартные методики численных методов расчета геометрии манипуляторов, приводятся описание методики расчета динамики, проводится исследование движения для наиболее часто встречающихся схем манипулятора с параллельными кинематическими цепями — платформы Стюарта при использовании различных алгоритмов управления приводами и исследовано влияние выбранного алгоритма управления и его параметров (количество заданных промежуточных точек траектории) на точность соблюдения манипулятором заданной траектории при контурном управлении.

Также исследован характер отклонений от траектории для различных алгоритмов работы приводов манипулятора.

Приведены зависимости ошибки от количества опорных точек траектории.

Пятая глава посвящена проектированию макета параллельного манипулятора с вращательными приводами. Разработана кинематическая схема, электрическая принципиальная схема устройства сопряжения с компьютером, и программное обеспечение для управления движением макета. Произведена проверка работоспособности макета манипулятора.

Основные результаты, полученные в диссертации, формулируются следующим образом.

1. Собраны и проанализированы материалы, из которых следует, что многостепенные механизмы параллельной структуры с линейными приводными звеньями находят широкое применение в комбинированных многостепенных пространственных приводах технологических промышленных роботов, демонстрационных роботов, металлорежущих станков, координатно-измерительных машин, тренажерах, испытательных стендов.

2. При постановке и решении задач механики механизмов параллельной структуры помимо обычных методов общей механики целесообразно использовать математический аппарат теории винтов, который позволяет единообразно описывать как силовые, так и кинематические характеристики, и аппарат кватернионов, который приспособлен для описания геометрии углового пространственного ориентирования.

3. На основе предложенного системного подхода к структурному синтезу механизмов параллельной структуры, основанного на формализованном описании и представлении общих свойств кинематических цепей механизма, построена классификация механизмов параллельной структуры.

4. Показано, что разнообразие схем, геометрические характеристики и возможности манипуляторов параллельной структуры определяются не только числом степеней подвижности, но и способами установки и размещением шарниров.

5. Показано, что рабочие области и их двумерные сечения, которые строятся с учетом ограничений по ходам приводов и непересечения элементов, имеют сложную формуразработанная методика позволяет определять их границы.

6. Установлено, что один из перспективных путей построения схем с числом степеней подвижности меньше шести заключается в том, что определенное число приводных звеньев заменяется на звенья постоянной длины.

7. Предложена и проанализирована схема шестистепенного манипулятора с вращательными приводами, который является новым образцом самостоятельной группы механизмов параллельной структурыразработанная методика позволяет проводить геометрический анализ подобных схем.

8. Рассмотрены различные варианты ортогонализированных схем параллельной структуры, приспособленных для воспроизведения малых перемещений и углов поворота и допускающих упрощение управление систем управления.

9. Предложены схемные и конструктивные решения некоторых ответственных элементов конструкций, в частности, совмещенного трехстепенного карданова шарнира.

10. Разработана методика расчета линейных перемещений и параметры углового положения шестистепенной платформы по значениям 1-координат.

11. Разработанные программы численного решения задач расчета последовательностей значений 1-координат по законам перемещения центра платформы и параметров ее угловой ориентации опробованы на примерах трехстепенных и пятистепенных механизмов.

12. Исследованы движения платформы шестистепенного манипулятора при таких способах управления приводами, при которых в заданные моменты времени осуществляются включение или отключение, но во время движения скорости остаются постоянными.

13. Исследована схема шестнстепенного манипулятора с вращательными приводами, сформулированы конструктивные предложения по его совершенствованию.

14. Показано, каким образом необходимо строить устройство автоматизированного управления шестистепенного манипулятора с вращательными приводами с тем, чтобы облегчить работу оператора при наладке регулировке и при программировании движений.

15. Спроектированный, изготовленный и отлаженный макет шестистепенного манипулятора успешно прошел испытания на работоспособность.

16. Было проведено экспериментальное построение нескольких горизонтальных сечений рабочей зоны, и сравнение их с расчетными. Установлено, что различие не превышает 24.3% для площади сечения и 11% для линейных размеров.

Публикации автора по теме диссертации.

1Л. Смородов А. В., Волков А. Н. Автоматизация проектирования передаточных механизмов цикловых электромагнитных приводов [Текст] // 29 неделя науки СПбГТУ: материалы межвузовской научно-технической конференции Ч. III. — СПб: изд. СПбГТУ. — 2001. — С. 13−14.

2А. Смородов А. В., Волков А. Н. Выбор оптимальной элементной базы для манипуляторов, построенных по схеме с замкнутыми кинематическими цепями [Текст] //31 неделя науки СПбГПУ: материалы межвузовской научно-технической конференции Ч. III.-СПб: изд. СПбГПУ. — 2003. — С. 12−13. ЗА. Смородов А. В., Волков А. Н. Рациональный выбор передаточных механизмов цикловых пневмоприводов [Текст] // 28 неделя науки СПбГТУ: материалы межвузовской научно-технической конференции Ч. II. — СПб: изд. СПбГТУ. — 2000. — С. 13−14.

4А. Смородов А. В. Новые кинематические схемы механизмов манипуляторов параллельной структуры [Текст] //32 недели науки СПбГПУ: материалы межвузовской научно-технической конференции Ч. III. — СПб: изд. СПбГПУ.-2003.-С. 16.

5А. Волков А. Н., Смородов А. В., Челпанов И. Б. Построение сечений рабочей области платформы Стюарта [Текст] // Сборник докладов международной конференции МТ'04. — Варна, Болгария 2004. — С. 52−57.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.