Введение к работе
Проблема и ее актуальность. Анализ области применения техники в различных сферах жизнедеятельности человека позволяет заключить, что пространственные рычажные механизмы не находят должного практического применения. Известен лишь ограниченный круг машин, в которых применяются пространственные механизмы - это сельхозмашины, текстильные, некоторые транспортные и энергетические машины. Причем известные пространственные рычажные механизмы имеют, как правило, ограниченное число степеней свободы (W<3).
В настоящее время роль пространственных механизмов, а именно пространственных многоподвижных механизмов (W> 3), существенно возросла в связи с появлением нового класса управляемых машин -роботов.
Роботы применяются преимущественно как средства автоматизации производства для выполнения тех или иных технологических операций. Дальнейшее совершенствование роботов позволит в перспективе применять их для выполнения сложных операций: сборочных, подводных - при бескабельном управлении, программно-управляемых подвижных - в неблагоприятных условиях окружающей среды, по нахождению радиоактивных и химических веществ, инспекции в недоступных местах и спасательных работ в экстремальных условиях, а также в других областях. В отличие от большинства известных машин роботы призваны выполнять непосредственно заданные функции человека. Например, функции скелета человека в роботах выполняет исполнительная система (механизм), умственные функции человека реализует управляющая система, функции органов чувств человека - информационно-сенсорная система. Из указанных систем особое место занимает исполнительная система - многоподвижный механизм, по которой преимущественно можно судить, насколько успешно робот заменяет заданные функции человека. Очевидно, трудно назвать совершенным манипуляционный робот, поднимающий груз, во много раз меньший своей массы. Низкая грузоподъемность вызвана в основном несовершенством структуры механизма исполнительной системы робота (исполнительного механизма). Действительно, исполнительные механизмы большинства современных манипуляционных роботов представляют собой многоподвижные пространственные механизмы, которые состоят из последовательно соединенных звеньев, образующих незамкнутые кинематические цепи. Такие манипуляционные роботы имеют высокую энергоемкость и низкий КПД за счет нерационального распределения мощностей. Кроме того, в силу консольного характера строения звенья исполнительного механизма подвержены изгибным деформациям, что вызывает дополнительные динамические нагрузки и в конечном счете влияют на точность позиционирования рабочего органа. В таких манипуляторах с антропо-
морфным строением также возникают сложности в решении обратной задачи кинематики, что в свою очередь затрудняет управление манипуляци-онным роботом в реальном масштабе времени.
В целях устранения указанных и других недостатков в настоящее время в исполнительных системах роботов применяют пространственные многоподвижные механизмы, подобные платформе Стьюарта, содержащие несколько замкнутых контуров. Однако большое число связанных общим движением звеньев существенно усложняет как анализ, так и синтез этих механизмов.
Рассматриваемые в диссертации одноконтурные многоподвижные механизмы с замкнутыми кинематическими цепями (ММсЗКЦ) лишены многих недостатков, свойственных мнопоподвижным пространственным механизмам с незамкнутой кинематической цепью и многоконтурным многоподвижным пространственным механизмам. Одним из преимуществ ММсЗКЦ является возможность решения для них в явном виде прямой и обратной задачи кинематики.
ММсЗКЦ при их существенных отличительных особенностях вызывают необходимость постановки и решения новых задач по анализу и синтезу строения кинематики и динамики.
Признанным считается тот факт, что традиционные безмашинные методы анализа и синтеза сложных механических систем, каковыми являются исполнительные системы роботов, не отвечают требованиям получения конкретных результатов в сжатые сроки. Последнее продиктовано необходимостью управления в реальном масштабе времени. По этой причине в диссертации методы анализа и синтеза структуры, кинематики и динамики механизмов ориентированы на возможность их формализации для дальнейшего применения машинных методов и решения задач управления.
Цель работы. Объектом исследования в работе являются многоподвижные механизмы с замкнутыми кинематическими цепями. Эти механизмы могут применяться в качестве исполнительных механизмов, манипуля-ционных роботов, шагающих аппаратов (бипедов), столов-позиционеров.
Цель работы - создание методов анализа и синтеза пространственных многоподвижных механизмов с замкнутыми кинематическими цепями.
Сформулированная цель предполагает решение следующих задач: разработки методов моделирования кинематических пар механизмов; анализа и синтеза структуры механизмов на основе топологического моделирования кинематических пар; кинематического анализа многоподвижных пространственных механизмов; динамического анализа ММсЗКЦ.
Научная новизна. Предложен метод структурного анализа и синтеза механизмов с применением аппарата комбинаторной топологии.
Аналитическое описание механических систем основывается на более универсальном по сравнению с методом Денавит-Хартенберга преобразо-
ванни с применением 6 и 8 параметров преобразования. Это описание используется для анализа положения любых пространственных механизмов.
Решена обратная задача динамики управляемых пространственных ММсЗКЦ с применением рекуррентных уравнений Ньютона-Эйлера в локальной системе отсчета.
Достоверность научных результатов подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных новым способом, с результатами, полученными известными способами, а также конкретными численными данными, установленными путем вычисления на ПК. Например, с применением топологического моделирования решаются задачи анализа структуры (строения) бинарного звена, диады, плоских механизмов, для которых результаты заранее известны. Сравнение полученного результата с заранее известными результатами показывает полную корректность как постановки задачи, так и нового метода его решения.
Общий метод аналитического описания при определенных условиях дает в качестве частных случаев метод Денавит-Хартенберга и модифицированный метод Денавит-Хартенберга.
На основе полученных решений задач кинематики и динамики составлены алгоритмы и программы на алгоритмическом языке «Turbo Pascal» и получены численные результаты. Некоторые аналитические выкладки выполнялись с помощью математической программы «Mathcad».
Работоспособность и преимущества одного из синтезированных ММсЗКЦ демонстрирует модель шестиподвижного манипулятора.
На защиту выносятся:
новый класс механизмов - пространственные ММсЗКЦ; методьі анализа и синтеза строения, кинематики пространственных механизмов и ММсЗКЦ; динамического расчета и исследования ММсЗКЦ.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные в работе ММсЗКЦ могут использоваться на практике в качестве исполнительных механизмов манипуляционных роботов с параллельной структурой, столов-позиционеров, механизма ноги шагающих аппаратов. Дальнейшее проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ позволит создать опытные и промышленные образцы следующих устройств, имеющих исполнительные системы в виде ММсЗКЦ : столов для проведения томографических исследований в лечебных учреждениях, шестикоординатных столов для лазерной технологии, дерево-, металлообрабатывающих станков для обработки изделий сложной конфигурации, двуногого аппарата для передвижения инвалидов, мобильных двуногих роботов для использования в экстремальных условиях, для передвижения по пересеченной местности.
Полученный аналитический аппарат является дополнением к теории механизмов и машин.
Пакеты прикладных программ могут быть использованы при конструировании и управлении исполнительными системами, имеющими в своем составе ММсЗКЦ.
Связь темы диссертации с планами отраслей науки и производства. Диссертационная работа выполнялась по плану Научно-координационного совета по комплексной проблеме "Роботы и робототех-нические системы" (1982-1985 гг., научный руководитель член-кор АН СССР Е. П. Попов, МВТУ им. Н. Э. Баумана), в соответствии с Программами фундаментальных исследований «Механика Земли и подземных сооружений, теория плоских и пространственных механизмов высоких классов» (1994-1996 гг.) АН РК и «Разработка теории плоских и пространственных механизмов высоких классов со многими степенями свободы^ 1997-1999 гг.) МН и ВО РК.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Всесоюзном семинаре по ТММ (Ташкент, 1979 г.), Всесоюзном научном семинаре по робототехническим системам в МВТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 1982,1984 гг.), VIII Республикаской межвузовской конференции по математике и механике (Алматы, 1984 г.), всесоюзной конференции «Механизмы переменной структуры в технике» (Бишкек, 1991 г.),1 Республиканском съезде по теоретической и прикладной механике (Алматы 1996 г.), Международном симпозиуме, посвященном 100-летию К. И. Сатпаева (Алматы, 1999 г.), Х-международном конгрессе по теории механизмов и машин «Tenth World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms» (Oulu, Finland, 1999), Республиканском семинаре по теории механизмов и машин (Алматы, 2000 г.), кафедре теории механизмов Ml ТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2000 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 27 работ, в том числе 2 монографии, 3 патента и 1 предварительный патент, 1 полезная модель.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, библиографического списка, включающего 172 наименований. Основной текст изложен на 246 страницах машинописного текста, поясняется 75 рисунками и 13 таблицами. Общий объем диссертации составляет 273 страниц.