Математическое моделирование, алгоритмы и программы управления манипуляторами Артемова, Александра Олеговна

Введение к работе

Актуальность работы. Широкое применение комплексных средств автоматизации технологических процессов, необходимость освобождения человека от проводимых в экстремальных условиях работ и другие производственные проблемы определили в конце XX века интенсивные исследования по созданию манипуляционных роботов, исполнительными устройствами которых служат манипуляторы (механические руки) ^'''. Дальнейшее развитие робототехники, создание эффективных методов расчета и проектирования робототехническихх систем продолжают стимулировать деятельность многих ученых и конструкторов разных школ в этой области науки и техники '.

Многочисленные работы посвещены описанию и моделированию на ЭВМ динамики движения манипулятора, разработке алгоритмов управления манипуляционными роботами ''^10,11. Особенности исследований в этом направлении в настоящее время связаны с разработкой и созданием манипуляторов сложной конструкции, дистанционно- и автономно-управляемых манипуляторов с использованием встроенных процессоров, навигационных и других систем.

Это приводит к необходимости развития математического аппарата, разработки моделей и алгоритмов систем управления манипуляторами, которые более полно учитывают многозвенную структуру, нелинейность, нестационарность программных движений, запаздывание в цепи обратной связи и другие факторы.

Соответственно, тема диссертации, посвещенной исследованию этой проблемы, является актуальной.

Объектом исследования в настоящей диссертации являются манипуляторы, моделируемые в виде системы связанных твердых тел.

Предметом исследования выступают математические методы и модели построения управления манипуляторами, соответствующие алгоритмы и программы.

Цели и задачи диссертационной работы. Цель диссертационной работы состоит в математическом обосновании новых моделей управления движениями манипуляторов с разработкой соответствующих алгоритмов и программ расчета их параметров, в построении моделей и программ управления конкретными манипуляторами.

Для достижения этой цели были поставлены и исследованы следующие задачи:

1. Математическое обоснование новых моделей управления движениями манипуляторов и других управляемых механических систем с учетом эффектов нелинейности, нестационарности, запаздывания.

2. Разработка новых типов управления для манипуляторов, моделируемых уравнениями Лагранжа и Виттенбурга-Лилова, численных методов, алгоритмов и программ их исследования и расчета параметров.

3. Разработка новых моделей управления дву- и трехзвенными манипуляторами, соответствующих программ определения их параметров, исследования качественных и количественных свойств процесса управляемого движения: устойчивости, области притяжения, точности, возможного запаздывания в цепи обратной связи.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись методы математического моделирования управляемых систем, теории устойчивости, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы теоретической механики, объектно-ориентированного и структурного программирования, имитационного моделирования.

Научная новизна. В диссертации обоснованы новые модели управления манипуляторами, которые обеспечивают нелокальную стабилизацию спектра их программных движений с учетом запаздывания в цепи обратной связи. Разработаны алгоритмы и программы расчета параметров таких управлений.

Основные положения, выносимые на защиту:

3. 1. Новые методы моделирования стабилизирующих управлений для нелинейных управляемых систем.

   2. Новые методы построения управлений для манипуляторов, моделируемых в виде систем связанных твердых тел.

   3. Алгоритмы и комплекс программ расчета параметров управления, обеспечивающих стабилизацию движений манипуляторов с учетом нелинейности, нестационарности и запаздывания.

   4. Модели управления нелинейного типа, обеспечивающие стабилизацию программных движений дву- и трехзвенного манипуляторов, их численный анализ.

   Практическая значимость. Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для теоретических и практических разработок в проектировании и конструировании манипуляционных роботов и робототехнических систем, в моделировании систем управления движениями манипуляторов.

   Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов научных исследований обеспечивается строгостью используемого математического аппарата, соответствием теоретических и численно-экспериментальных результатов.

   Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

   3. 4. 1. Всероссийский семинар «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением». Ульяновск. 9-12 июня, 2011 г.

         2. XV Международная конференция «Моделирование динамических систем и исследование устойчивости». Киев, Украина. 25-27 мая, 2011 г.

         3. 54-ая научная конференция МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Москва, 2011 г.

         4. XII международная конференция «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления». Москва, ИПУ РАН, 05-08 июня 2012 г.

         5. X международная Четаевская конференция «Аналитическая механика, устойчивость и управление». Казань, 12-16 июня 2012 г.

         6. Международная конференция «Моделирование, управление и устойчивость (MCS-2012)». Севастополь, Украина, 10-14 сентября 2012 г.

         7. 55-ая научная конференция МФТИ: Всероссийская научная конференция «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе», Научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики и астрономии», Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Москва, 2012 г.

         Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК.

         Личный вклад автора. Постановка задачи осуществлена совместно с научным руководителем. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и библиографии. Текст диссертации изложен на 166 страницах, из них 102 страниц основного текста и 64 страницы приложения. Диссертация содержит 18 рисунков и 110 библиографических ссылок.

         Похожие диссертации на Математическое моделирование, алгоритмы и программы управления манипуляторами

         Разработка методов, алгоритмов и программ моделирования сетей с дозированной балансировкой нагрузкиСапрыкин, Алексей Николаевич

         Методы, алгоритмы и программы моделирования кинетики химических и биохимических процессов с использованием интервального анализаХайдаров, Андрей Геннадьевич

         

         Моделирование, алгоритмы и пакет программ прогнозирования термомеханического поведения крупногабаритного зонтичного рефлектораЯщук Алексей Александрович

         Алгоритмы и комплекс программ моделирования персонифицированного естественно-языкового взаимодействия оператора с ЭВМСуранова, Дарья Александровна

         

         Разработка алгоритмов и комплекса программ для моделирования нерегулярного морского волненияГладких, Екатерина Анатольевна

         

         Разработка алгоритмов и моделирование динамической типизации в программах для технических системСтарцев Евгений Владимирович

         

         Вычислительные алгоритмы и комплекс программ для численного моделирования течений неньютоновских жидкостей в кольцевом каналеГаврилов Андрей Анатольевич

         

         Алгоритмы и комплексы программ нейронно-сетевого моделирования энергетических характеристик ступени центробежного компрессораБитюцкий Андрей Яковлевич

         

         Алгоритмы и комплекс программ параллельных вычислений при математическом моделировании критичных по времени процессовПопов, Александр Сергеевич

         

         Алгоритмы и комплекс программ для решения задач имитационного моделирования объектов прикладной экономикиГрибанова Екатерина Борисовна