Формализм выписывания уравнения динамики манипуляторов

Бесплатный доступ

Решается проблема громоздкости уравнений динамики манипуляционных систем промышленных роботов (манипуляторов), состоящих из поступательных и вращательных сочленений. Предложен новый формализм выписывания уравнений динамики манипуляторов в направляющих косинусах, из которых легко получить уравнения динамики в других параметрах относительной или абсолютной ориентации тел. Приведены примеры выписывания уравнений динамики манипуляторов в направляющих косинусах, из которых путем применения их свойств получены уравнения динамики в относительных углах поворота тел. Рассмотренные манипуляторы имеют от трех до шести степеней свободы. В их уравнениях динамики явно выражены геометрические, кинематические, статические и инерционные параметры. Множители при ускорениях и произведениях скоростей в выписанных уравнениях динамики являются оптимальными в смысле минимума арифметических операций (сложений и умножений), необходимых для их вычислений. Предложен JS-код и методика верификации уравнений динамики манипуляторов, записанных в аналитическом виде. Проблема в том, что при ручном выписывании уравнений возможны ошибки и описки в промежуточных записях и конечном результате. Поэтому необходимо проверять результаты выписывания на отсутствие ошибок, т. е. выполнять верификацию формул вычисления составляющих уравнений динамики. Для этого можно использовать ПО, предназначенное для вычисления обобщенных движущих сил манипуляторов, т. е. решать первую задачу динамики. В качестве такого ПО здесь предлагается web-приложение, в котором JS-функция используется для верификации уравнений динамики манипуляторов. Разработана методика верификации формул вычисления обобщенных сил тяжести и множителей (коэффициентов) при обобщенных ускорениях и произведениях обобщенных скоростей в уравнениях динамики. Приведен пример верификации уравнений динамики универсального манипулятора с шестью степенями свободы в пространстве. Целью исследования является разработка формализма выписывания аналитического вида уравнений динамики манипуляторов в направляющих косинусах главных осей связанных систем координат тел, коэффициенты которых содержат минимальное количество арифметических операций. Методы исследования относятся к векторной и аналитической механике систем абсолютно твердых тел, к векторной алгебре, а также к системному анализу и программированию на скриптовых языках. Результаты исследования содержат два доказанных утверждения, формулы которых и методика их использования позволили вручную выписать уравнения динамики манипуляторов с тремя и шестью степенями подвижности как в направляющих косинусах, так и в обобщенных координатах. В обоих случаях упростить полученные уравнения невозможно. Заключение. Записанные аналитические виды уравнений динамики занимают несколько строк. По известным классическим формализмам (Лагранжа, Аппеля, Нильсена, Ньютона - Эйлера и т. д.) практически невозможно получить аналогичные результаты из-за большого количества сложных математических операций в их реализации и громоздкости получаемых формул.

Еще

Промышленный робот, уравнения динамики, формализм выписывания, направляющие косинусы, повторное использование формул, js-функция, верификация уравнений

Короткий адрес: https://sciup.org/147236502

IDR: 147236502   |   УДК: 681.5   |   DOI: 10.14529/ctcr210405

Formalism of writing out of manipulators dynamic equation

The problem of cumbersome equations of dynamics for manipulation systems of industrial robots (manipulators) with translational and rotational joints is solved. A new formalism for writing out the equations of dynamics of manipulators by using of guide cosines is proposed. Examples of writing out equations of dynamics of manipulators with guid cosines are given. The equations of dynamics in relative angles of rotation of bodies are obtained with the help of these guide cosines by applying their properties. These manipulators have from three to six degrees of freedom. In their equations of dynamics the geometric, kinematic, static and inertial parameters are explicit. The multipliers for accelerations and products of velocities are optimal in the sense of the minimum of arithmetic operations (additions and multiplications) that are needed for their calculations in the written out equations of dynamics. JS-code and method for verification of the equations of dynamics of manipulators written in analytical form are proposed. The problem is that when the equations are written out manually, errors and oversights in the intermediate entries and the final result are possible. Therefore it is necessary to check the results of writing out for absence of errors, i.e. to perform verification of formulas for calculation of constitutive equations of dynamics. To do this, we can use software designed to calculate the generalized driving forces of manipulators, i.e. to solve the first problem of dynamics. Such software is offered as a web-application, in which JS-function is used for verification of the equations of dynamics of manipulators. The method of verification of formulas to calculate the generalized forces of gravity and multipliers (coefficients) for generalized accelerations and products of generalized velocities in the equations of dynamics is developed. An example of verification of the equations of dynamics of the universal manipulator with six degrees of freedom in space is given. Aim. The aim of research is to develop a formalism for writing out the analytical form of the equations of the manipulators’ dynamics in the guide cosines of the principal axes of the coupled body coordinate systems, whose coefficients contain the minimum number of arithmetic operations. Research methods. The methods of research refer to vector and analytic mechanics of absolutely solid systems, to vector algebra, and to systems analysis and programming in scripting languages. Results. The results contain two proved statements, in which there are the formulas and the methodology that allow us to write manually the equations of dynamics of manipulators with three and six degrees of mobility both in guiding cosines and in generalized coordinates. In both cases it is impossible to simplify the obtained equations. Conclusion. The offered analytical types of the equations of dynamics occupy several lines. By the known classical formalisms (Lagrange, Appel, Nielsen, Newton-Euler, etc.) it is practically impossible to obtain similar results because of the large number of complex mathematical operations in their implementation and the cumbersomeness of the resulting formulas.

Еще

Список литературы Формализм выписывания уравнения динамики манипуляторов

  • Adaptive Fractional PID Controller for Robot Manipulator / H. Delavari, R. Ghaderi, A.N. Ranjbar et al. // Proceedings of FDA '10. The 4th IFAC Workshop Fractional Differentiation and its Applications. Badajoz, Spain, October 18-20. - 2010. - P. 1-7.
  • Jafarov, E.M. A new variable structure PID-controller for robot manipulators with parameter perturbations: an augmented sliding surface approach / Elbrous M. Jafarov, Yorgo Istefanopulos, M.N. Alpaslan Parlakci // 15th Triennial World Congress, Barcelona, Spain. - 2002. - P. 365-370.
  • Xu, J. Robust Adaptive PID Control of Robot Manipulator with Bounded Disturbances/ Jian Xu, Lei Qiao // Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering. - 2013. -Vol. 2013. - Article ID 535437. - P. 1-13. DOI: 10.1155/2013/535437
  • Chunqing, H. PID feedback for mixed Hi/Hco tracking control of robotic manipulators / Huang Chunqing, Shi Songjiao // Journal of Systems Engineering and Electronics. - 2004 - Vol. 15, no. 4. -P. 579-585.
  • Velocity Control of a Spherical Rolling Robot Using a Grey-PID Type Fuzzy Controller With an Adaptive Step Size / Erkan Kayacan, Erdal Kayacan, Herman Ramon, Wouter Saeys // 10th IFAC Symposium on Robot Control International Federation of Automatic Control. Dubrovnik, Croatia. -2012. - P. 863-868.
  • Ghaleb, N.M. Modeling and Control of 2-DOF Robot Arm / Nasr M. Ghaleb, Ayman A. Aly // International Journal of Emerging Engineering Research and Technology. - 2018. - Vol. 6, iss. 11. -P. 24-31.
  • Amin, A.T.M. Adaptive controller algorithm for 2-DOF humanoid robot arm / Adam Tan Mohd Amin, Abdul Hakim Ab Rahim, Cheng Yee Low //Procedia Technology. - 2014. - Vol. 15. - P. 765-774. DOI: 10.1016/j.protcy.2014.09.049
  • Телегин, А.И. Уравнения математических моделей механических систем. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999. - 181 с.
  • Телегин, А.И. Алгоритмы решения первой задачи динамики для плоских рычажных механизмов / А.И. Телегин, М.В. Тимощенко // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». -2007. - Вып. 10, № 25 (97). - С. 12-22.
  • Elshabasy, M. Power optimization of planar redundant manipulator moving along constrained-end trajectory using hybrid techniques / M. Elshabasy, K.T. Mohamed, A.A. Ata // Alexandria Engineering Journal. - 2017. - vol. 56, iss. 4. - P. 439-447. DOI: 10.1016/j.aej.2017.01.040
  • Dynamic characterization and simulation of two-link soft robot arm with pneumatic muscles / A. Hosovsky, J. Pitel, K. Zidek et al. //Mechanism and Machine Theory. - 2016. - No. 103. - P. 98-116. DOI: 10.1016/j .mechmachtheory. 2016.04.013
  • Korayem, M.H. Dynamic modeling of nonholonomic wheeled mobile manipulators with elastic joints using recursive Gibbs-Appell formulation / M.H. Korayem, A.M. Shafei, H.R. Shafei // Scientia Iranica. - 2012. - vol. 19, iss. 4. - P. 1092-1104. DOI: 10.1016/j.scient.2012.05.001
  • Propulsion Effect Analysis of 3Dof Robot under Gravity / A. Shala, R. Likaj, M. Bruqi, X. Bajrami //Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 100. - P. 206-212.
  • Sadati, S.M.H. An Automatic Algorithm to Derive Linear Vector Form of Lagrangian Equation of Motion with Collision and Constraint / S.M.H. Sadati, S.E. Naghibi, M. Naraghi // Procedia Computer Science. - 2015. - Vol. 76. - P. 217-222. DOI: 10.1016/j.procs.2015.12.345
  • Fontes, J.V. On the dynamic performance ofparallel kinematic manipulators with actuation and kinematic redundancies / J.V. Fontes, M.M. da Silva // Mechanism and Machine Theory. - 2016. -Vol. 103. - P. 148-166. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2016.05.004
  • Amin, A.T.M. Adaptive controller algorithm for 2-DOF humanoid robot arm / A.T.M. Amin, A.H.A. Rahim, C.Y. Low // Procedia Technology. - 2014. - Vol. 15. - P. 765-774.
  • Lewis, F.L. Robot Manipulator Control: Theory and Practice / F.L. Lewis, D.M. Dawson, C.T. Abdallah. - Marcel Dekker, Inc., New York, 2004. - 614 p.
  • Телегин, А.И. Новый векторный вид уравнений динамики систем тел / А.И. Телегин // Вестник ЮУрГУ, серия «Машиностроение». - 2014. - Т. 14, № 1. - С. 33-40.
  • Лурье, А.И. Аналитическая механика / А.И. Лурье. - М. : Физматгиз, 1961. - 824 с.
  • Войнов, И.В. Maxima-код вывода динамических реакций и обобщенных движущих сил в сочленениях роботов-манипуляторов / В.И. Войнов, А.И. Телегин, Д.Н. Тимофеев // IVМеждународная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг». - 2018. - C. 265-269.
Еще