Моделирование робота-манипулятора типа «хобот»

 

Рассматриваются математические и имитационные модели кинематики и динамики некоторых параллельных механизмов, как элементов робота-манипулятора типа «хобот».

 

Введение

В настоящее время в машиностроении актуальной является задача разработки технологических машин для выполнения механической обработки внутренних поверхностей полостей сложной формы, например, внутренних каналов охлаждаемых лопаток турбин для авиационной и космической техники. В технологии катастроф необходимы машины для организации доступа к внутренним объемам разрушенных зданий и сооружений. Аналогичные задачи возникают также, при проведении ремонтных и восстановительных работ в трубопроводах, при проведении ряда хирургических операций и т.д.

Обычно для решения перечисленных задач используются традиционные манипуляторы, представляющие собой последовательное соединение звеньев, не использующих механизмы с параллельной кинематикой [1]. Такие манипуляторы имеют низкий показатель грузоподъемности, низкую точность позиционирования рабочего органа, относительно низкую жесткость [2].

________________________

*) Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие потенциала высшей школы (2009 – 2010 годы)», проект 2.1.2/1509.

Одним из эффективных способов преодоления указанных недостатков является использование в качестве звеньев манипулятора механизмов с параллельной кинематикой. Можно выделить следующие основные преимущества таких манипуляторов:

• лучшая грузоподъемность;

• высокая точность позиционирования рабочего органа;

• более высокая жесткость системы;

• высокие скорости и ускорения рабочего органа;

• высокая степень унификации мехатронных узлов [1].

Однако манипуляторы параллельной кинематики обладают и рядом недостатков:

• меньшее рабочее пространство;

• более сложная конструкция механизма;

• очень сложное математическое описание;,

• анизотропия и неоднородность динамических, упругих и скоростных свойств манипулятора;

• возможность потери управляемости в некоторых конфигурациях манипулятора;

• возможность интерференции (соприкосновения) отдельных кинематических цепей манипулятора;

• использование не прямоугольного (нелинейного) базиса;

• сложность задания движений манипулятора в обобщенных координатах, связанных со степенями подвижности манипулятора [1].

В настоящее время машины на базе механизмов параллельной кинематики широко применяются в качестве вибрационных стендов, тренажеров, измерительных комплексов, позиционирующих устройств, манипуляторов и микроманипуляторов, металлорежущего оборудования.

Наиболее известным примером механизма с параллельной кинематикой является платформа Гафа-Стюарта, которая состоит из двух пластин, шарнирно соединенных шестью поступательными кинематическими парами [2]. При изменении длины этих пар происходит пространственное перемещение верхней пластины относительно нижней.

Многосекционный робот-манипулятор типа «хобот» можно построить на основе платформы Гафа-Стюарта, когда в качестве основания следующей секции используется подвижная платформа предыдущей секции.

Отметим, что хобот слона состоит из примерно 40 тыс. мускулов и, с одной стороны, позволяет слону поднимать огромные грузы, а, с другой стороны, чувствителен к малейшим прикосновениям.

Альтернативой устройствам на основе механизмов параллельной кинематики могут являться устройства на основе механизмов параллельно-перекрестной структуры. В этом случае между несколькими кинематическими цепями, расположенными по принципам параллельной структуру, располагаются перекрестные кинематические цепи, содержащие приводы или налагающие связи [3]. Рассмотрение механизмов параллельно-перекрестной структуры, как основы для построения манипуляторов типа «хобот», выходит за рамки данной работы.

Первый раздел работы содержит краткий обзор односекционных и многосекционных манипуляторов параллельной структуры. Во втором разделе рассматриваются методы анализа подвижности механизмов, используемые в последующих разделах. В третьем разделе приводятся варианты кинематических схем манипулятора типа «хобот» и обосновывается выбор рассматриваемых схем. Четвертый раздел посвящен разработке математических моделей кинематики и динамики параллельного механизма с двумя степенями свободы, построенного на основе «трипода». Аналогично в пятом разделе рассматривается параллельный механизм с тремя степенями свободы; в шестом разделе – параллельный механизм с четырьмя степенями свободы, построенный на основе «гексапода»; в седьмом разделе – «гексапод» с шестью степенями свободы. В восьмом разделе приводятся имитационные математические модели некоторых из перечисленных механизмов параллельной кинематики, построенные средствами известного программного комплекса MatLab. В заключении формулируются основные результаты работы.

В работе используется двухуровневая нумерация формул и рисунков, содержащая номер раздела и номер объекта в этом разделе.