Содержание к диссертации
Введение 5
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ
1.1. Использование артикуляторов в условиях диагностики
зубочелюстной системы человека и изготовление протезов в
ортопедической стоматологии 10
1.2. Понятие об/-координатах 21
1.3. Связь /- координат с декартовыми координатами 26
Кинематика/-координатного робота 32
Принцип построения и структура манипуляторов с параллельными кинематическими цепями 34
Прямая и обратная задачи о положениях робота с шестью степенями свободы 39
Решение обратной задачи о положениях для роботов с параллельными кинематическими цепями и использование линеаризации для решения прямой задачи о положениях
механизмов параллельной структуры 42
Выводы 46
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОБОТ - АРТИКУЛЯТОР
Выбор и анализ энергетических возможностей исполнительных приводов артикулятора 47
Моделирование динамики манипулятора 57
Описание/-координатного робота - манипулятора . ... 61
Шаговый двигатель и способы управления шаговым
двигателем 65
Уравнение движения шагового привода в физической и безразмерной формах записи 76
Методы анализа уравнений движения шагового привода. Исследование идеализированного уравнения движения
шагового привода 80
Выводы 92
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ РОБОТ -АРТИКУЛЯТОР 3.1. Разработка исполнительной системы управления
автоматическим артикулятором 93
3.2 Разработка принципиальной схемы управления
Выбор типа усилителя и схемы включения 98
Разработка принципиальной схемы усилителя тока 100
Разработка принципиальной схемы блока питания 102
Разработка принципиальной схемы блока микроконтроллера 103
Разработка принципиальной схемы блока коммутации ... 104
Алгоритм кнопочного управления шаговым двигателем . . 105
Алгоритм автоматического управления комплексом робот -артикулятор 108
Моделирование динамики электротехнического комплекса
робот - артикулятор 116
Выводы 125
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОБОТ -
АРТИКУЛЯТОР
4.1 Описание экспериментальной установки робота -
артикулятора 127
4.2 Технико-экономические показатели системы робот -
артикулятор 128
Оценка жизненного цикла изделия 130
Анализ конкурентной среды 132
Характеристика инновационного процесса в современных условиях 135
4.3 Анализ погрешностей результатов натурного эксперимента 138
Выводы 147
Заключение 149
Литература 151
Приложение 1 - Траектории движения реперных точек 159
Приложение 2 - Алгоритм кнопочного управления 160
Приложение 3 - Алгоритм автоматического управления 175
Приложение 4 - Справочные данные на ДШР 39-0,006-1,8УХЛ4 . 184
Приложение 5-Чертежи на ДШР 39-0,006-1,8УХЛ4 186
Приложение 6 - Акт внедрения в учебный процесс ВГТУ .... 188
Приложение 7 - Акт внедрения в лечебный процесс
стоматологической поликлиники 189
Приложение 8 - Акт внедрения в учебный процесс ВГМА имени
Н.Н.Бурденко 190
Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время, актуальным становится создание электротехнических комплексов автоматических роботов - артикуляторов для воспроизведения движений (натурного моделирования) нижней челюсти человека (объекта оригинала), для целей ортопедической стоматологии.
Для решения задачи получения информации о движении объекта оригинала нижней челюсти человека, подвергающейся ортопедическому вмешательству на основе системы технического зрения, необходима разработка средств воспроизведения движений объекта оригинала, обладающих улучшенными характеристиками, позволяющими реализовать минимальное отклонение от заданных параметров.
В процессе разработки, физическая "подгонка" компонентов электротехнической машины неоправданна из - за высокой стоимости данного процесса.
Поэтому актуальным является создание адекватных математических моделей в форме структурных схем и компонентов системы управления, моделирование которых позволит определить параметры электротехнических устройств, при которых обеспечивается требуемое качество воспроизведения движения.
Актуальность продиктована необходимостью разработки специальных математических и программных средств, позволяющих реализовать качественное управление электротехническим комплексом воспроизведения движений.
Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "Вычислительные системы и программно - аппаратные электротехнические комплексы".
Объектом исследования является электротехнический комплекс на базе шаговых электроприводов, функционирующий в системе / - координат и предназначенный для воспроизведения движений нижней челюсти человека, для целей ортопедической стоматологии.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электротехнического комплекса автоматического робота - артикулятора на базе шаговых электроприводов, функционирующего в системе / - координат и являющегося составной частью информационно - диагностического комплекса по подгонке (коррекции) зубных рядов.
Для достижения цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
Провести анализ существующих систем воспроизведения движения объекта манипулирования.
Разработать адекватную комплексную модель электротехнической системы, включающей в себя: модели отдельных электротехнических элементов, компоненты системы управления, учитывающие повышенную жесткость механической системы.
Разработать алгоритм управления много двигательным электротехническим комплексом, реализующим воспроизведение движений объекта оригинала, с учетом заданных критериев качества.
Осуществить исследование статических и динамических характеристик робота - артикулятора, провести их качественное и количественное сравнение с объектом - оригиналом.
Методы исследования
В работе использованы методы: 1) теоретические, включающие в себя: методы математического моделирования, численные методы математического анализа, положения теории автоматического управления, методы теории электропривода; 2) экспериментальные с использованием прямых и косвенных измерений.
Научная новизна
В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
1. Определены функциональные основные свойства
электротехнического комплекса робота - артикулятора, отличающиеся учетом сложного пространственного перемещения в рамках механизма параллельной структуры.
Разработана математическая модель многодвигательного электропривода робота - артикулятора, отличающаяся учетом повышенной жесткости и дающая возможность анализа погрешностей с целью их минимизации.
Разработан алгоритм управления много двигательным электроприводом, отличающийся учетом частот собственных колебаний объекта манипулирования.
Разработана система управления роботом - артикулятором, отличающаяся тем, что она содержит блоки вычисления периодов колебаний объекта манипулирования.
Практическая ценность
Практическая ценность состоит в разработке:
программы, обеспечивающей преобразование координат объекта оригинала в координаты кинематической цепи, результаты работы которой могут быть использованы для анализа применения / - координат электротехнических систем воспроизведения движений;
комплексной модели робота - артикулятора, которая может быть использована для выбора параметров электротехнических систем воспроизведения движений. Комплексная модель позволила реализовать натурный образец автоматического робота - артикулятора.
Реализация работы
- Основные теоретические и практические результаты работы внедрены
в учебный процесс кафедры автоматики и информатики в технических
системах Воронежского государственного технического университета в
лабораторный практикум по дисциплине «Специализированные
исполнительные устройства».
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований,
внедрены в учебный и лечебный процесс в Воронежскую государственную
медицинскую академию имени Н.Н. Бурденко на кафедре ортопедической
стоматологии.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Инженерные идеи XXI век" (Воронеж, 2006 г.); работа выставлялась на региональную губернаторскую
премию "Золотой лев" и удостоена диплома III степени в области науки и техники (Воронеж, 2006 г.); выставлялась на V специализированной выставке "ТехноЭкспо-2006" в качестве информационного стенда (Саратов, 2006 г.); выставлялась на VII Международной выставке инноваций и инвестиций и удостоена диплома (Москва, ВВЦ, 2007 г.); основные положения диссертации докладывались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Инженерные идеи XXI век" (Воронеж, 2007 г.); докладывалась на научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах ВГТУ (Воронеж, 2005 - 2007 г.г.).
Публикации
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и в 2 патентах РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем предложено: в [3,4, 5] - приводится описание предметной области, теория / - координат, а также обзор современных методов построения систем воспроизведения движений; [7, 8] - разработана исполнительная система управления шаговым двигателем, проводится синтез шагового электропривода автоматического артикулятора; [10] -рассматриваются различные способы управления шаговыми двигателями; [12]
- разработана модель шагового двигателя; [13] -экспериментально сняты
показания шести длин расстояний от шести различных точек на челюсти
жующего человека до неподвижных точек на базовой плоскости. Проведена
обработка эксперимента движения нижней челюсти человека; [9, 11, 15, 16, 17]
- рассматривается электротехнический комплекс по подгонке зубных рядов и
диагностики зубочелюстной системы человека с использованием современных
методов построения систем воспроизведения движения, содержащих системы
технического зрения.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 190 страниц основного текста, 85 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 85 наименований.
В первой главе диссертационной работы приводится описание предметной области, анализ методов исследования исполнительных устройств с параллельной структурой, а также обзор современных методов построения систем воспроизведения движений, содержащих системы технического зрения. Рассматривается принцип построения и структура манипуляторов с параллельными кинематическими цепями.
Во второй главе диссертационной работы рассматривается моделирование и анализ электротехнического комплекса робот - артикулятор, функционирующего в системе / - координат. Проводится выбор и анализ исполнительных электроприводов робота - артикулятора. Приводится описание разработанного / - координатного робота - артикулятора, на основе шаговых электроприводов.
В третьей главе диссертационной работы рассматривается алгоритмизация управления в системе робот - артикулятор. Приводится функциональная схема управления ШД, разработка исполнительной системы управления роботом - артикулятором, разработка принципиальной схемы управления, приведены алгоритмы ручного (кнопочного) и автоматического управления роботом - артикулятором. Разработана математическая модель шагового двигателя и комплексная модель всей системы.
В четвертой главе диссертационной работы проводится проверка адекватности разработанной модели, на основе данных натурного эксперимента. Произведен анализ погрешностей в работе комплекса. Произведен технико-экономический анализ конкурентоспособности разработанной системы.
