Выписывание формул вычисления сил в сочленениях манипуляторов в статике

Бесплатный доступ

Решается проблема громоздкости математических моделей манипуляционных систем промышленных роботов. Здесь рассматриваются формулы вычисления статических реакций в сочленениях и активных сил, уравновешивающих силы тяжести, действующие на тела манипулятора в его неподвижном состоянии. В этом состоянии манипулятор находится, например, перед захватом объекта манипулирования и его освобождением, при выполнении некоторых сборочных операций, в процессе точечной сварки, в медленных (квазистатических) процессах дуговой сварки и покраски. Цель исследования. Вывести общие рекуррентные и конечные формулы вычисления сил реакций в сочленениях, а также их проекций на оси системы координат, жестко связанной с выбранным телом. Формулы проекций сил выразить через направляющие косинусы и обосновать их оптимальность в смысле минимума арифметических операций. Вывести общие обратные рекуррентные формулы для выписывания направляющих косинусов осей, связанных с подвижными телами системы координат относительно неподвижной системы координат. Методы исследования относятся к векторной механике и системному анализу, а также алгоритмизации вычислений путем их сведения к использованию рекуррентных формул. Результаты. Выполнен системный анализ общих формул, в которых выделены все возможные регулярные выражения, однозначно соответствующие кинематическим параметрам манипуляторов. Эти регулярные выражения используются в программном обеспечении аналитического моделирования манипулятора, в частности, аналитического решения задач статики манипулятора. Описана методика аналитической верификации выписанных формул. Решены задачи выписывания оптимальных формул вычисления проекций сил статических реакций в сочленениях, а также активных сил в поступательных сочленениях универсальных манипуляторов с шестью степенями свободы, работающих в декартовой, цилиндрической, сферической и ангулярной системах координат. Выполнена аналитическая верификация выписанных уравнений статики. Продемонстрированы примеры повторного использования выписанных формул для манипуляторов с совпадающими кинематическими схемами их подсистем. Заключение. Выражения уравнений статики мaнипуляторов через направляющие косинусы осей связанных систем координат их тел позволяют записать эти уравнения через известные параметры ориентации тел. Рекуррентный вид формул вычисления направляющих косинусов позволяет в их программной реализации использовать рекурсивные функции, т. е. повысить вычислительную эффективность ПО.

Еще

Движущие силы, силы реакции, задачи статики, направляющие косинусы, верификация формул, регулярные выражения, оптимизация вычислений

Короткий адрес: https://sciup.org/147235273

IDR: 147235273   |   УДК: 681.5   |   DOI: 10.14529/ctcr210305

Writing out of formulas for calculating forces in the joints of manipulators in statics

The problem of bulkiness of mathematical models of manipulative systems of industrial robots is solved. Here we consider formulas for calculating static reactions in joints and formulas for active forces that balance the forces of gravity acting on the manipulator's bodies in its stationary state. The manipulator can be in such a state when it is before capturing the object of manipulation and releasing it, or when it is performing some assembly operations, or it is during spot welding and in slow (quasi-static) arc-welding and painting processes. Aim. The aim is to derive general recurrence and finite formulas for calculating the reaction forces in joints and their projections to the axes of the coordinate system rigidly connected with the selected body. Express the formulas of force projections in terms of guiding cosines and justify their optimality in terms of the minimum of arithmetic operations. Derive general inverse recurrence formulas for writing out the guide cosines of the axes associated with the moving bodies of the coordinate system with respect to the stationary coordinate system. Research methods. The methods of research relate to vector mechanics and systems analysis, and the algorithmization of calculations by reducing them to the use of recurrent formulas. Results. A systematic analysis of general formulas, in which all possible regular expressions are highlighted which are corresponding unambiguously to the kinematic parameters of manipulators, is performed. These regular expressions are used in software for analytical modeling of manipulator, in particular, for the analytical solution of problems of statics of a manipulator. The method of analytical verification of the prescribed formulas is described. The tasks of writing out optimal formulas for calculating the projections of static reaction forces in joints have been solved. And the tasks of writing out optimal formulas for calculating active forces in progressive joints of universal manipulators with six degrees of freedom, operating in Cartesian, cylindrical, spherical and angular coordinate systems, have been solved also. Analytical verification of the derived equations of statics is performed. Examples of the reuse of the derived formulas for manipulators with the same kinematic schemes of their subsystems. Conclusion. Expressions of the equations of statics of manipulators through the guide cosines of the axes of the associated coordinate systems of their bodies allow us to write these equations through the known parameters of body orientation. The recurrent formulas for calculating directional cosines allows to use recursive functions in their software implementation, i.e. to increase the computational efficiency of the software.

Еще

Список литературы Выписывание формул вычисления сил в сочленениях манипуляторов в статике

  • Anderson, C. Makers: The New Industrial Revolution / C. Anderson. - Publisher: Crown Business, 2016. - 257p.
  • Jordan, J.M. Robots. / J.M. Jordan. - Publisher: The MIT Press, 2016. - 274 p.
  • Miller, R. Robots and Robotics: Principles, Systems, and Industrial Applications / Rex Miller, Mark R. Miller. - Publisher: McGraw-Hill Education, 2017 - 400p.
  • Boschetti, G. Novel Kinematic Directional Index for Industrial Serial Manipulators. / Giovanni Boschetti //Applied Sciences. - 2020. - Vol. 10 (17), 5953. DOI: 10/3390/app10175953
  • Alwan, H.M. Singularity Analysis of Parallel Robot with Six Degrees-OfFreedom of Six Legs / H.M. Alwan, H.S. Ahmed//Eng & Tech. Journal. - 2014. - Vol. 32, part (A), no. 4. - P. 960-972.
  • Alwan, H.M. Path Tracking Simulation of a Wheeled Mobile Robot with Three Mecanum Wheels / H.M. Alwan //International Review of Mechanical Engineering (I.RE.M.E.). - 2020. - Vol. 14, no. 8. -P. 516-522.
  • Alwan, H.M. Solution of Inverse and Forward Kinematics Problems for Mobile Robot with Six Mecanum Wheels / H.M. Alwan, A.N. Volkov, A. Shbani // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - P. 1-11. DOI: 10.1088/1757-899X/1094/1/012071
  • Trung, T.T. A Techniques to Downgrade Objective Function in Parallel Robot Kinematics Problem / T.T. Trung, L.W. Guang, P.T. Long // International Journal of Robotics and Automation (IJRA). -2015. - Vol. 4, no. 3. -P. 186-195.
  • Seibel, A. On the Direct Kinematics Problem of Parallel Mechanism / A. Seibel, S. Schulz, J. Schlattmann // Hindawi Journal of Robotics. - 2018. - Article ID 2412608. - 9 p.
  • Faug'ere, J.-C. On solving the direct kinematics problem for parallel robots / J.-C. Faug'ere, J.-P. Merlet, F. Rouillier // Research Report RR-5923. - 2006. - 21 p.
  • Momani, S. Solution of Inverse Kinematics Problem using Genetic Algorithms / S. Momani, Z.S. Abo-Hammour, O. Ahsmadi // Applied Mathematics & Information Sciences. - 2016. - Vol. 10 (1). -P. 1-9.
  • Zhuang, H.-C. Analysis Method of Articulated Torque of Heavy-Duty Six-Legged Robot under Its Quadrangular Gait /H.-C. Zhuang, H.-B. Gao, Z.-Q. Deng //Applied Sciences. - 2016. - Vol. 6 (11), 323. DOI: 10.3390/app6110323
  • Smeresky, B. Kinematics: On Direction Cosine Matrices / B. Smeresky, A. Rizzo //IntechOpen. -2019. -15 p.
  • Журавлев, В.Ю. Основы теоретической механики / В.Ю. Журавлев. - Изд. 2-е, перераб. -М. : Физматлит, 2001. - 320 с.
  • Челноков, Ю.Н. Кватернионные и бикватернионные модели и методы механики твердого тела и их приложения /Ю.Н. Челноков. - М. : Физматлит, 2006. - 512 с.
  • Лурье, А.И. Аналитическая механика /А.И. Лурье. - М. : Физматгиз, 1961. - 824 с.
  • Телегин, А.И. Метод автоматического выписывания выражений математической модели системы из общего вида математической модели класса систем / А.И. Телегин, М.И. Кайго-родцев, Д.И. Читалов // Сборник научных трудов «Ракетодинамика. Энергетика. Информатика». - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2012. - С. 162-184.
  • Кайгородцев, М.И. XML-ориентированная программа выписывания математического выражения / М.И. Кайгородцев // Сборник научных трудов «Ракетодинамика. Энергетика. Информатика». - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2012. - С. 191-199.
  • Телегин, А.И. Программно-методический комплекс для автоматического выписывания математических моделей плоских шарнирных механизмов / А.И. Телегин, М.И. Кайгородцев // Сборник научных трудов «Ракетодинамика. Энергетика. Информатика». - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2012. - С. 200-219.
  • Голубев, Ю. Ф. Основы теоретической механики /Ю. Ф. Голубев. - М.: Изд-во МГУ, 2000. -720 с.
Еще