Введение к работе
Актуальность проблемы. Конкурентная борьба среди производителен течнодогичесютх и транспортных машин приводит к изменению на вторичном рынки систем гидрогшевмоириводов возврайго-гоептгате.тьного и возвратно-поворотного пша, представленного конспрукцтами на основе силовых шдрогшсвмощиішдров.
В качесіве ripmiepa можно привести ситуацию на рынке производителей автобусов. С рцшеа вытесняются производители не способные удовлетворять требования потребителя и создавать автобусы с многоуровневым автоматическим управлением приводами у:штз и агрегатов трансмиссии, огптошзацией управления работой приводами ДОС, приводами рулевых и тормозных систем л т.д. г)нергоиостггелем этих систем является сжатый воздух, а основным недостатком пневмоприводов является инвариантность к положению.
Отмеченная тенденции потребовала создания на вторичном рынке управляемого технического пневмодвигателя не инвариаігшого к по.тожетпо. Работа выполнена в рамках Федеральной научно-производственной программы «Конверсия. Вшчнсие гехншюпш 2000г.». Тема 83-1-7 «Разработка систем опережающего энергетическою управления техническими объектами с переменной массой в реальном времени».
Научная идея работы: установить гірігчшшо-следствешіьіе связи между физическими явлениями, лежалшми в основе сокращения скелетной пышны и обобщив полученные результаты разработать дафферешгяальный мышечный і ндроішевмонрішод с энергетическим управлением:.
Цель работы: разработать и исследовать математические модели дифференциального мышечного гидрогаіевмолргтвода с энергетическим управлением.
Задачи исследования:
1.Выработать подход к объяснению управляемого механического движеїшя в живой природе;
2.11а основании анализа научных данных об знергетичеемгх процессах в иселетш.іх мышцах объяснить принцип их работы и управления;
З.Раскрьлъ причишо-следственные связи между процессами преобразования энергии в механическую работу и теплоту, движением во внешней среде и возникновением информации о ходе этих процессов. Определить физическую сущность и размерность энергетических параметров механического движения;.
(.Создать техшгческий аналог скелетной мышцы. Разработать математическую модель механической мыпщы и дифферешшалъного мышечного гадрогшевмоиршода. Получить экспериментальные характеристики механических мышц и доказать адекватность их математических моделей.
5.Разработать и исследовать математическую модель 5" звешюго робота с дифференциальными мышечными гидроішевмоприводами. Доказать преимущества механических мыши и предлагаемых алгоритмов управления перед существующими техническими двигателями и алгоритмами.
б.Показать наиболее эффективные области применения полученных паушых результатов в технике.
На защиту выносится следующие научные положения:
1.Рабочие гипотезы о возможности использования в технике предложенного объяснения прмщгаїа работы и управления скелетными мылщами живых сицеств;
2.Размерности рывка, ускорешія, скорости и перемещения, как энергетических параметров механического движения;
3.Реализация рабочих гипотез о принципе работы и управления скелепилмн мышцами живых отнести із техішческих системах (промышленных роботах);
4.Математическая модель нового технического двигателя- механической мышцы;
5 .Математическая модсть дифференциального мышечного гидроїщевмопривода;
^.Процедура математических операций над матрицами при комбинаторике трех дискретных аргументов в матричной форме зашей уравнений Лагранжа 2-го рода;
7.Математшеская модель 5" звенкого робота ГІР-5М с дафференщіальньїми мышечными гидрогагевмоприводвшг,
^.Алгоритмы управления дшгжением и позиционированием нротшменных роботов с дифференциатышаш мышечными гидроцневмоцриводами;
9.Математнческие модели оптимального управлении движением технических систем с дифферсіщиальпьши мышечными пневмоприводами;
] О.Результаты практического использования разработанных научных положений.
Научная новизни положений диссертации:
1. Предложенное объяснение принципа работы и управления скелетными мышцами состоит в следующем:
- актшово-миозшшвые мостики являются биоэнергетической системой мышцы, прсобрачутошей энергию АТФ в механическую и тепловую работу, а сама мышца является ортогональным двигателем;
-не инвариантность к положат» и динамическое равновесие биологического привода обеспечивается мышцами - ашжониетамн, усилия которых зависят от их сокращения;
-управление работой скелетных мыпщ осуществляется на энергетическом уровне (по мышечной памяти) с периодическим подключением ЦІІС.
2-Рі.НіОК, ускорение, скорость, перемещение могут рассматриваться как
кинематические и как энергетические параметры мехашиеского данжеїшя, Jta чю
указал И.Иыотон по отношеншо к ускорезвпо. Переход от сил к энергии в опжашш
движения -и аппаратная реализация энергетического управления потребовали
раскрытия физического смысла, математического описания и установления
размерности всех энергетических параметров движения. Энергетические параметры
деижепия характеризуются, на наш взгляд, изменением во времени удельной энергии
А-( Е—* HILL)' тек>1гпш значешгем уделыюй энергииҐ F t Е (t)") ; расходом
c't \ т V ) \ т V )
удельной энергии во времени f F * (О c!l ; работой удельной энергии
" т V f f 2l_* KiiLci,di Здесь: E(t) - 'энергия [Дж] , V -объем [МЗ], F- площадь ' ' ' т V поверхности, нормальная к вектору движения [М2], m = масса [и-).
З.На основе гипотез о работе и управлении скелетными мышцами: -создан новый технический двигатель - механическая мышца, представляющая собой заполненную рабочим телом щииндрическую оболочку с устшювлениыми на ее торцах присое;цшите;гьиыьп1 эяементахш, ітри этом оболочка выполнена из эластичного материала и армирована в продольном и поперечном, каправлешіях гибкими нерастяжимыми шпат которые обеспечивают ашшгронные свойства
оболочки и направленное изменение объема при изменении жергешческсго состояния рабочего тела в оболочке. Патент RU 2137950 (F15B 1Ш0):
-разработай новый дифференциальный мышечный прішод, содержащий мышцу и се антагониста, связанных с нсполшттельным органом посредством устройства преобразования поступательного двігжеїшя в поворотное.
-разработаны алгоритмы энергетического управления, в которых используются шшаратно или программно полненные (в процессе обучения робота) значения энергетических параметров механического движения, с коррекцией завершающего тгапа движения в режиме следящего привода. Машинным экспериментом установлено, что возможно двіглсение в режиме управления ио энергетической памяти в течении 75% времени заданной тахограммы, а в течении 25% времеші возможно скорректировать движение и привести схваг машягулятора в задаїагуга tomkv с погрешностью не более 1,4 мм на 1000 мм переметеній.
4,Магематическая модель механической мышцы, в отличие от математической модели силового цилиндра, описывает сокращение мышцы, как функцию формы оболочки. Форма оболочки описана уравнением параболической бочки, диаметр которой увеличивается іфи ее сокращении. Установлены математические зависимости диаметра, шощади боковой поверхности и объема мышцы от ее рабочего хода. Математическая модель отражает свойство механической мышцы: увеличивать іяиущее усилие с ростом давления при одинаковом перемещении и снижать тянущее усилие с ростом рабочего хода при одшаковом давлении. Энергетические потери в материале оболочки описываются на основании расчета нормальных и касательных напряженій и деформаций по граням октаэдрической площадки. Геометрія оболочки оптимизирована по критерии.) равнопрочносш. В математической модели введены ограничения по начальному значению рабочего хода, предельному давление и нагрузкам. Модель адекватна физическому объекту. Погрешность составляет: средняя 8-10%, максимальная - 20%.
5.Диффсрсшшалы;ые мышечные гядропиевмоприводы выполнены в виде встречно расположенных мышц и их антагонистов, сое;ошенпы.\' между собой через блок гибкой нерастяжимой шт,ю. Доказаны их не штариантность к перемещению, малое перерегулирование и колебательность. Дифференциальные мышечные гидрогшевмоігриводьг и их математические модели от.шпактгся от дифферент шлымх пршзодов с электрическими и гидравлическими двигателями объемного действия и их математических моделей тем, что первые построены на разности знаков одного и того же перемещения для мышц и аитагапистов, а последние построены на разности скоростей. Разработан новый метод формирования управляющих параметров, отымающийся тем, что дифференциальные и шпегралыале составляющие этих параметров формируются с обратными шаками для мышц и антагонистов.
б.Разработана процедура проведения операций над матрицами с тремя дискретными аргументами при исиользовашт уравнений Лагрвижа 2-го рода в матричной форме для моделирования промышленных роботов Стандартная программа MathCAD-7 (иди 8) professional не предусматривает решения таких задач. Использование дшшой процедуры позволяет решать задачи в такой зашей: for і є О.. 4
4 і і
v4.~ V Vі V tri'U H.UT(M,i,kl))-v,.v,
i=j k»0 1=0
7.0бъектом математического моде-тирования выбран промыписнный робот, как один из наиболее сложных технических объектов. Математическая модель 5-ти звешюго робота с дпффереіщиальними мышечными гидроппевмоприводами, предусматривает процедуру аналитического решения обратных задач при кошу рном управлении. Математическая модель робота отличается математическим описанием работы новых приводов, ігри управлении kotopjjmh задают параметры тахограммы двигателей всех звега>єв в виде ушімодальноії функции, (например, кривая распределения Гаусса) и функцшо рывка, как энергетического параметра движения. При этом предусмотрен вьгеод центра схвата в заданную точку при одновременном движении всех звеньев манипулятора по своим тахоїраммам. Адекватность математической модели обеспечивается футгдамеїггальїіостью примспешюго математического аппарата для описания динамики манипуляторов, корректное гыо принятых ограничений и допущешда, применением математических пакетов, результатами экшерименпиплшгх исследований механических мышц.
8.Алгоритмы управления движением и позициоішрованием промышленных
роботов по наработагшъш в процессе обучения энергетическим параметрам
проверялись машинным экспериментом для гидравлического и пневматического
дифференциальгаго мышечного привода звеньев. Научная новизна алгоритмов
управления подтверждается структурной схемой привода и передаточной функцией
по управляющему воздействию. Исследовалась эффективность управления при
выполнении всеми мышцами команды на внезапную остановку с
гюследукждам продолжением движения схватав задаїшуіо точку, в результате чего доказано, что переходной процесс имеет малые перерегулирование, колебательность и постоянную времени, а позиционирование происходит без снижения точности.
9.При решении задач утіравлетія и огггими'зацші управляющих параметров проводилось сравнение при управлешш по тахограммам в форме трапешга и кривой Гаусса. Установлено, что точность позициоїшроваїшя при использования тахограмм в форме кривых Гаусса на порядок выше, чем при транещшдальных формах тахограми (С.бмм против 6 мм), расход энергии соответственно меньше на 13%;
Проводилось также сравнение различных методов энергетического и кинематического управления по критерию качества. Научной новизной обладает решеїше оптимизационной задачи по быстродействию робота за счет выбора оптимальных тахограмм, что позволяет повысить быстродействия до 25%. Проведена оптимизация парамегров компрессора и ресивера блока питания робота с тіевмоприводом с учетом одновременной работы приводов всех звеньев.
Ю.На основе механических мышц и дифференциальных мышечных приводов разработано более 20 новых устройств для автомобильной, тракторной, нефтеперерабатывающей и трубопроводной промшиленкости. Разработаны приводы коробок передач, сцеплений, дифференциалов автобусов и автомобилей, оснащенных тормозной пневмосистемой, Все устройства выполнены на уровне изобретений. Начаты работы по внедрешпо дифференциального мышечного привода двереіі автобуса ПАЗ-5272 (положительное решение ко заявке 99104608 F15B). Ведется проектирование насосов и запорно-регулируюп(ей арматуры дія трубопроводов. Управление по энергетическому параметру - рывку реализовано на Ставропольском инструментальном заводе при модернизации стыкосварочиых мила о і СИ-124 к МТК-100. По кошролируемой величине рывка каретки определяется закон управпешм величиной сварочного тока. Внедрение системы позволило снизить брак при изготовлении пггангоузла с 15 до 5 %.
Практическое значение работы:
-создан новый технический двигатель: мехагагчеекая мышца - аналог' скелетной ишпцы (Патент РФ .N»2137950). Двигатель не инвариантен к положению, превосходит существующие но техннко-жепдуатаниониым показателям:
-разработаны инженерше методики расчета диффереіщиальньїх .чплнечных приводов (модули САПР привода) и технологии их изготовления;
-разработано более 20 новых технических объектов с приводами в виде механических мыпщ для машшгостроительной автомобильной и нефтеперерабатавающей отраслей промышлегаюста.
Реализация выводов и рекомендаций:
Издано -I монографии, при участии автора организовано и проведено 5 конференций, из которых 2 международные. Результаты работы использованы:
-в Федеральной научно-производственной программе «Конверсия. Высокие технологии 2000г.». Тема 88-1-7 «Разработка систем опережающего энергетического управления техническими объектами с переменной массой в реальном времени».
-в Федеральной научно-производственной программе «Технология живых систем», раздел «Системы жизнеобеспечения и зашиты человека в зкетремальпых условиях >',. Тема: << Виртуальное моделирование катастроф на опасных производствах (тахтах) и наработка упреждающей информации по ликвидации последствий с максимальным использованием шециаяизировагаплх маншн и роботов».
Результаты работы использованы в учебном процессе Южпо-Россшіского н Северо-Кавказского технических университетов. Начаты работы по внедрению мехашгчесюгх мылгц на ОАО «Павловский автобус» в качестве привода механизма открывания дверей.
Апробация работы:
Основные результати исследований обсуждались на НТК в ЮРГТУ и СтГГУ, з ПИН Нейрокпбернстики им. Когапа РГУ, НИИ М13С Таганрогского РТТТУ, па семинарах кафедр Э-10, М-7 МГТУ им Н.Э. Баумана, МНТК < Интеллектуальные системы». Псков 1998г. НТК «Пейроинформатика-99», МІ ГТК по нейрокибернетике Ростов 1999г., МНТК «Автотракторострсение. Промышленность и высшая, школа», Москва, 1999г., МНТК «Проблемы навигации и управления в хосшгческоч пространстве» Москва МГТУ им. Н.Э. Баумана 1999)-., МНТК «Динамика систем, механизмов и мапаш» Омск. 1999г. Развернута открытая дискуссия между Российскими и зарубежными учеными в компьютерной сети Incmet.
Публикации. По теме научных исследований опубликовано 76 печатных работ, в том числе 23 авторсик свидетельства, подано 25 заявок fra патент РФ и 2 заявки на Европейский патент. Изданы -книги «Теория штформащіотіо-онергетмеского процесса», «Theory of information-energy process», «Теоретические основы механики реального времени». «Кохвлъютерное моделирование в механике реального времеїш технических объекте» с механическими мышцами». Кіпті распространены среда Российской и мировой научной общественности.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 186 страницах машинописного текста, гаопострируется 85 рнсункамі{, содержит 28 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 138 наименований н гати приложений.
Структура работ» показана на следующей диаграмме:
Задача создания неинвариантного к положению гидропневмопривода
Анализ существующих ' теорий описания движения
»
Обоснование подхода к объяснению механизма управляемого маханического движения в живой природе
Анализ данных физиологи» о строении, работе, управлении скелетными мышцами живых сущ«лв
4s>
Алгоритмы энергетического
управления.
Математическая
модель
J5C
гипотезы о принципах
энергетического
управления
скелетными мышцами
Описание структурной
схемы и передаточной
функции механической
мышаы
Ж
Объяснение механизма синтеза
механического движения в «ивой
природе
Информационно-энергетический
процесс,как основа
взаимодействия объекта
(биологического, технического) и
внешней среды
^L
гипотеза о принципе
работы скелетной
мышцы
Математическая
модель
механической
мышцы
механическая мышца
Теоретическое и
экспериментальное
исследование
"У"
V
подготовка производства механических мышц.
ч.
-f>
Определение энергетических параметров движения. Математическая модель
Исследование алгоритмов энергетического
управления при синтезе механического
движения 5-ти эвенного робота ПР-5М,
Математическая модель
JSL
Объект исследования: 5-ти звенный робот
ПР-5М, аналог руки человека, с приводами в
виде механических мышц.
Математическая модель
Доказательство выдвинутых научных положений.
ПпДКТЬіи*5ГІҐЛР МГПППкЯПЙЯНИР HMffttfrfWVrwV WrIVUHMY ЛПЛПЖЙМІЛЙ
"I г