Аналитическое решение первой задачи динамики манипуляторов с вращательными сочленениями

Бесплатный доступ

Решается проблема сложности вывода и громоздкого аналитического вида уравнений математических моделей управляемых систем тел с явно выраженными структурными, кинематическими, статическими и динамическими параметрами. В первую очередь это относится к уравнениям динамики, на которых основаны системы управления. Наш практический опыт и теоретические результаты указывают на то, что пути решения этой проблемы нужно искать в двух направлениях. Во-первых, в направлении классификации систем тел и использования особенностей представителей рассматриваемых классов систем тел в части упрощения формализмов вывода их уравнений динамики, а также уменьшения числа математических операций в аналитическом представлении уравнений динамики. Во-вторых, в направлении выбора параметров состояния тел, в которых записываются аналитические скалярно-координатные виды уравнений динамики. В этой связи следует заметить, что подавляющее большинство (более 90 %) промышленных роботов, а также роботов специального назначения имеют структуру одной открытой ветви, в которой тела образуют друг с другом вращательные кинематические пары пятого класса (вращательные сочленения). Если в таких системах полюса тел выбирать на осях их относительного вращения, то межполюсные расстояния будут постоянными, что значительно упрощает решение указанной проблемы. По поводу выбора параметров состояния, явно входящих в уравнения динамики, следует заметить, что квазискорости, т. е. проекции абсолютных угловых скоростей тел на оси их связанных систем координат, являются наиболее подходящими для этих целей. Дело в том, что в уравнениях кинематики, замыкающих уравнения динамики до полного набора уравнений для решения той или иной задачи, всегда можно выразить квазискорости через любые другие параметры, например, относительные углы поворота тел и их производные по времени, направляющие косинусы и их производные, кватернионы и т. д. Если проекции абсолютных угловых скоростей тел на их оси измеряются, например, гироскопами на телах и решается первая задача динамики, то формулы решения содержат минимальное число операций сложения и умножения. Таким образом, целью исследования является разработка простого метода вывода аналитического вида уравнений динамики манипуляторов с вращательными сочленениями в квазискоростях, в которых явно выражены геометрические, кинематические, статические и инерционные параметры тел. Используемые методы исследования (векторная и аналитическая механика систем тел, векторная алгебра, системный анализ и методы тождественных преобразований) позволили свести вывод уравнений динамики манипуляторов к формальным действиям их выписывания без выполнения сложных математических операций дифференцирования, возведения в степень, вычисления векторных операций и т. д. Результаты исследования содержат доказательство общего векторного вида уравнений динамики манипуляторов в квазискоростях с явно выраженными межполюсными расстояниями и параметрами распределения масс тел. Для выписывания моментов движущих сил в сочленениях получены скалярно-координатные формулы и их простой частный вид для случая параллельности осей вращения соседних сочленений. Как частный случай получены формулы выписывания уравнений динамики манипуляторов на плоскости. Для них процесс выписывания уравнений динамики сводится к конкретизации числа тел, их геометрических и инерционных параметров. Заключение. Эффективность изложенных методов и полученных формул продемонстрирована на примерах выписывания уравнений динамики тела с одной закрепленной точкой, гироскопа в кардановом подвесе и ангулярного манипулятора с тремя и шестью степенями свободы в пространстве. Эти результаты позволяют нам ожидать, что число пользователей предлагаемых методов будет расти. Положительный опыт использования этих методов в учебном процессе в дисциплинах «Основы механики систем тел», «Электромеханические системы» и «Мехатроника» оправдывает наши ожидания.

Еще

Шарнирный манипулятор, уравнения динамики, квазискорости, выписывание формул, направляющие косинусы, верификация уравнений

Короткий адрес: https://sciup.org/147237452

IDR: 147237452   |   УДК: 681.5

Analytical solution of the first problem of dynamics of manipulators with rotational joints

The problem of complexity of derivation and the cumbersome analytical form of equations of mathematical models of controlled body systems with explicit structural, kinematic, static and dynamic parameters is solved. First of all, this applies to the equations of dynamics on which the control systems are based. Our practical experience and theoretical results indicate that solutions to this problem should be sought in two directions. Firstly, in the direction of classifying body systems and using peculiarities of the representatives of the considered classes of body systems in terms of simplifying formalisms for deriving their equations of dynamics, as well as reducing the number of mathematical operations in the analytical representation of the equations of dynamics. Second, and in the direction of choosing the parameters of the state of bodies in which the analytical scalar-coordinate types of the equations of dynamics are written down. In this connection, it should be noted that the vast majority (more than 90 %) of industrial robots, as well as special-purpose robots, have a single open branch structure in which the bodies form rotational kinematic pairs of the fifth class (rotational articulations) with each other. If in such systems the poles of the bodies are chosen on the axes of their relative rotation, the interpole distances will be constant, which greatly simplifies the solution of the above problem. Regarding the choice of state parameters explicitly included in the equations of dynamics, it should be noted that quasi-velocities, i.e. projections of absolute angular velocities of bodies on the axes of their coupled coordinate systems, are the most suitable for these purposes. The point is that in the equations of kinematics, which close the equations of dynamics to a complete set of equations for solving a problem, one can always express quasi-velocities through any other parameters, for example, relative angles of rotation of bodies and their time derivatives, guiding cosines and their derivatives, quaternions, etc. If projections of absolute angular velocities of bodies on their axes are measured, for example, by gyroscopes on bodies, and the first problem of dynamics is solved, the solution formulas contain a minimum number of addition and multiplication operations. Thus, the goal of the study is to develop a simple method for deriving the analytical form of the equations of dynamics of manipulators with rotational joints in quasi-velocity, in which geometric, kinematic, static and inertial parameters of bodies are explicitly expressed. The used research methods (vector and analytical mechanics of body systems, vector algebra, system analysis and methods of identity transformations) made it possible to reduce the derivation of the equations of dynamics of manipulators to formal actions of writing them out without performing complex mathematical operations of differentiation, magnification, calculation of vector operations, etc. The results of the study contain a proof of the general vector form of the equations of dynamics of manipulators in quasi-velocity with explicitly expressed interpole distances and parameters of mass distribution of bodies. Scalar-coordinate formulas and their simple special formulas for the case of parallel rotation axes of neighboring joints are derived for writing out the moments of driving forces in joints. As a special case, the formulas for writing out the equations of dynamics of manipulators on the plane were obtained. For them, the process of writing out the equations of dynamics is reduced to the specification of the number of bodies, their geometric and inertial parameters. Conclusion. The effectiveness of the outlined methods and the obtained formulas have been demonstrated by examples of deriving the equations of dynamics of a body with a single fixed point, a gyroscope in a gimbal, and an angular manipulator with three and six degrees of freedom in space. These results allow us to expect that the number of users of the proposed methods will grow. The positive experience of using these methods in the educational process in the disciplines “Fundamentals of Mechanics of Body Systems”, “Electromechanical Systems” and “Mechatronics” justifies our expectations.

Еще

Список литературы Аналитическое решение первой задачи динамики манипуляторов с вращательными сочленениями

  • Tourassis V.D., Neuman C.P.The inertial characteristics of dynamic robot models // Mech. and Mach. Theory. 1985. Vol. 20, no. 1. P. 41-52.
  • Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Физматгиз, 1961. 824 с.
  • Телегин, А.И. Аналитическое решение первой задачи динамики манипуляторов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2022. Т. 22, № 1. С. 28-52. DOI: 10.14529/ctcr220103
  • Кузьмина Р.П. Гироскоп в кардановом подвесе. М.: Университетская книга, 2012. 202 с. ISBN 978-5-91304-299-6.
  • Пудовкина С.Г., Телегин А.И. Выписывание формул вычисления сил в сочленениях манипуляторов в статике // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2021. Т. 21, № 3. С. 47-58. DOI: 10.14529/ctcr210305
  • Телегин А.И. Формализм выписывания уравнений динамики манипуляторов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2021. Т. 21, № 4. С. 52-68. DOI: 10.14529/ctcr210405
  • Моисеев Ю.И. Применение промышленных роботов для загрузки металлообрабатывающего оборудования: учеб. пособие. Курган: КГУ, 2013. 170 с. ISBN 978-5-4217-0258-0. Текст: электронный. Лань: Электронно-библиотечная система. URL: https://e.lanbook.com/book/177883 (дата обращения: 30.01.2022).
  • Климов А.С., Машнин Н.Е. Роботизированные технологические комплексы и автоматические линии в сварке: учеб. пособие для вузов. 4-е изд., стер. СПб.: Лань, 2021. 236 с. ISBN 978-5-8114-6792-1. Текст: электронный. Лань: Электронно-библиотечная система. URL: https://e.lanbook.com/book/152449 (дата обращения: 30.01.2022).
  • Kawasaki Robotics GmbH. Каталоги и технические брошюры [Электронный ресурс]. URL: https://pdf.directindustry.com.ru/pdf/kawasaki-robotics-gmbh-18836.html (дата обращения: 20.03.2022).
  • Yaskawa industrial roboticarms [Электронный ресурс]. URL: https://www.motoman.com/ en-us/products/robots/industrial (дата обращения: 20.03.2022).
  • ABB industrial robots [Электронный ресурс]. URL: https://new.abb.com/products/robotics/ industrial-robots (дата обращения: 20.03.2022).
  • ROBOTFORUM: промышленные роботы [Электронный ресурс] URL: http://robotforum.ru/ promyishlennyie-robotyi/tur.html (дата обращения: 20.03.2022).
  • KUKA industrial robotics heavy payloads: каталог [Электронный ресурс]. URL: https://www.kuka.comA/media/kuka-downloads/imported/9cb8e311bfd744b4b0eab25ca883f6d3/kuka_pb_schwere_tl_en.pdf (дата обращения: 20.03.2022).
  • ROBOTOX промышленный робот R0B0T0X_P6A-750-6 [Электронный ресурс]. URL: https://robotox.ru/katalog/promyshlennye-roboty/6-koordinatnye-roboty/robotox_p6a-750-6-detail (дата обращения: 13.01.2022).
  • FANUC robotics range overview [Электронный ресурс]. URL: https://www.fanuc.eu/tr/en/ robots/robot-range-page (дата обращения: 20.03.2022).
  • PUMA 500 Robot arm [Электронный ресурс]. URL: http://rutherford-robotics.com/PUMA/ (дата обращения: 20.03.2022).
Еще