Модели, методы и алгоритмы структурно-параметрического синтеза и оптимизации многосекционного манипулятора типа «хобот»

На правах рукописиВолкоморов Семен ВладимировичМодели, методы и алгоритмыструктурно-параметрического синтеза иоптимизации многосекционногоманипулятора типа «хобот»05.13.12 – «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукБрянск – 2016Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный техни­ческий университет им. Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана).Научный руководительКарпенко Анатолий Павловичдоктор физико-мат. наук, доцент, зав.кафедрой «САПР» ФГБОУ ВПО«Московский государственный техниче­ский университет им.

Н.Э. Баумана»Официальные оппоненты Увайсов Сайгид Увайсовичдоктор технических наук, профессор,профессор департамента электроннойинженерии Московского институтаэлектроники и математики Националь­ного исследовательского университета«Высшая школа экономики»Шкаберин Виталий Александро­вичкандидат тех. наук, доцент, проректорпо информатизации и общим вопросамФГБОУ ВО «Брянский государствен­ный технический университет»ФГБУН «Институт конструкторско­технологической информатики (ИК­ТИ) РАН»Ведущая организацияЗащита состоится 21 июня 2016 года в 16:00 на заседании диссертацион­ного совета Д 212.021.03 при ФГБОУ ВО «Брянский государственныйтехнический университет» по адресу: 241035, г.

Брянск, ул. Харьковская,д. 10-Б, учебный корпус №4, ауд. Б101.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Брян­ский государственный технический университет» и по адресу в сети ин­тернет http://www.tu-bryansk.ru/content/nauka/zacsh.Отзывы на автореферат присылать по адресу: 241035 г.Брянск, бульвар50 лет Октября, 7, ФГБОУ ВО «Брянский государственный техническийуниверситет».Автореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцент2016 г.М.Ю. РытовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.

В настоящее время основнымтипом манипуляционных систем роботов являются механические мани­пуляторы, которые представляют собой пространственные механизмы ввиде разомкнутых или замкнутых кинематических цепей. Диссертацияпосвящена многосекционным параллельным роботам-манипуляторам ти­па хобот (МТХ), формализации и решению некоторых ключевых задачдля этого класса устройств.К наиболее важным преимуществам МТХ относятся высокая точ­ность исполнения движений, высокие скорости и ускорения рабочего орга­на (схвата), высокая степень унификации мехатронных узлов. Основныенедостатки заключаются в анизотропии и неоднородности динамических,упругих и скоростных свойств манипулятора и в необходимости учета воз­можной интерференции отдельных кинематических цепей манипулятора.Общим выводом является то, что такие манипуляторы позволяют в зна­чительной степени избежать недостатков, присущих многосекционнымрычажным либо гибким манипуляторам.Можно выделить работы, посвященные параллельным роботам-мани­пуляторам, таких автров как J.P.

Merlet, S. Brell-Çokcan, J. Braumann, Y.Wu, P. Donelan, D. Chablat, А.И. Корендясев, В.А. Глазунов, А.П. Паш­кевич, А.С. Климчик, Л.А. Рыбак, В.В. Ержуков, А.В. Чичварин, В.А.Глазунов, А.Ш. Колискор, А.Р. Крайнев, С.Л. Зенкевич, А.С. Ющенко идр.Основными являются следующие особенности задачи проектирова­ния многосекционного МТХ: многообразие типов секций; многообразиеконструкций шарниров, штанг в рамках каждого типа секций; большоечисло варьируемых параметров конструкции; избыточность движенияманипулятора; комплексность и плохая формализуемость задачи.В этой связи актуальной является разработка программного ком­плекса (ПК) для автоматизации проектирования геометрии МТХ.Целью диссертационной работы является разработка ПК дляструктурно-параметрического синтеза и структурно-параметрической оп­тимизации геометрии многосекционного МТХ.

Для достижения этой це­ли в диссертации поставлены следующие задачи.1. Провести анализ требований к методам анализа и синтеза ро­ботов-манипуляторов типа хобот (МТХ). Сформировать требования кпрограммным системам для анализа и синтеза многосекционных МТХ.2.

Предложить и разработать математические методы и алгоритмыдля синтеза, оптимизация и верификации геометрии многосекционногоМТХ, а также для планирования целевой конфигурации МТХ и синтезатраектории его движения.33. Разработать структуру и функциональность ПК для структурно­параметрического синтеза, структурно-параметрической оптимизации иверификации геометрии многосекционного МТХ.4. Выполнить программную реализацию предложенных математи­ческих моделей, методов и алгоритмов.5.

Исследовать эффективность разработанного математического, ал­горитмического и программного обеспечения.Объект и предмет исследования. Объектом исследования дис­сертационной работы является механизм параллельной структуры ти­па хобот. Предметом исследования является разработка и применениеновых математических моделей, методов и алгоритмов для структурно­параметрического синтеза, структурно-параметрической оптимизации иверификации геометрии многосекционного МТХ.Методы исследования.

При решении поставленных задач в дис­сертации использовались теория машин и механизмов, теория интеграль­ных уравнений, методы регуляризации некорректно поставленных вычис­лительных задач, методы линейной алгебры, нелинейного программиро­вания и математического моделирования.При разработке программного комплекса использовались методыобъектно-ориентированного проектирования и программирования.Соответствие диссертации паспорту специальности. Работасоответствует паспорту специальности 05.13.12 «Системы автоматизациипроектирования (по отраслям)»:п.

1 – методология автоматизированного проектирования в технике,включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедури процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств дляприменения в САПР;п. 2 – разработка научных основ создания систем автоматизациипроектирования и автоматизации технологической подготовки производ­ства (САПР и АСТПП);п. 3 – разработка научных основ построения средств САПР, разра­ботка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и ана­лиза проектных решений, включая конструкторские и технологическиерешения в САПР и АСТПП.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Предложены и разработаны методы формирования континуаль­ной модели МТХ для разных критериев оптимальности формы МТХ иразных видов его нагружения.2. Методы структурно-параметрического синтеза геометрии МТХ,основанные на его континуальной модели и включающие в себя определе­ние оптимальной формы секций и их размеров для различных критериев4оптимальности и видов нагружения манипулятора.3. Методы структурно-параметрического синтеза и оптимизациигеометрии многосекционного МТХ, основанные на его дискретной мо­дели.4. Методы верификации геометрии многосекционного МТХ, осно­ванные на методах планирования целевой конфигурации и синтеза тра­ектории движения многосекционного МТХ при наличии и отсутствиипрепятствий.Практическую ценность работы составляют следующие поло­жения.1.

Математические модели, методы и алгоритмы для структурно­параметрического синтеза и оптимизации геометрии многосекционно­го МТХ.2. Методы планирования целевой конфигурации и синтеза траекто­рии движения многосекционного МТХ при наличии и отсутствии пре­пятствий в его области достижимости.3. Разработан ПК для автоматизации проектирования геометриимногосекционного МТХ.Практическое применение.1. В рамках реализации проекта космической обсерватории Милли­метрон (проект Спектр-М ) осуществлен синтез геометрии манипуля­торов с разными типами платформ.

Решена задача синтеза траекториидвижения манипулятора для двух режимов позиционирования антенныобсерватории.2. Результаты использованы лабораторией исследования и разработ­ки средств виброзащиты систем «человек-машина» ИМАШ РАН в 2013 г.при проведении исследований в рамках НИР по теме 7-13 «Биомеханикасистем “человек-машина-среда”», номер гос.

регистрации №01201355404,о чем есть соответствующий акт о внедрении.3. Разработанное методическое, алгоритмическое и программноеобеспечение может быть использовано в учебных курсах по современнымметодам математического моделирования и проектирования сложныхобъектов.Связь темы исследования с научными программами.1. Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного про­ектирования МГТУ им.

Н.Э. Баумана в рамках проекта «Разработканаучных основ построения мехатронных технологических машин на баземногосекционных манипуляторов типа хобот» в рамках аналитическойведомственной целевой программы “Развитие потенциала высшей школы(2009—2010 годы)”, проект №2.1.2/1509.2. Работа является составной частью НИР, выполняемой в ИМАШ5РАН в рамках п. №30 программы фундаментальных научных исследова­ний государственной академии наук «Методы анализа и синтеза много­функциональных механизмов и машин для перспективных технологий иновых человеко-машинных комплексов.

Динамические и виброакустиче­ские процессы в технике.» на 2013—2020 годы, в части раздела 1 «Иссле­дование и разработка систем “человек-машина”».На защиту выносятся следующие положения:1. Методы формирования континуальной модели МТХ для разныхкритериев оптимальности формы МТХ и разных видов его нагружения.2. Методы структурно-параметрииеского синтеза и оптимизациигеометрии многосекционного МТХ, основанные на его континуальноймодели.3. Методы структурно-параметрииеского синтеза и оптимизациигеометрии многосекционного МТХ, основанные на его дискретной мо­дели.4. Методы верификации геометрии многосекционного МТХ.5.

Архитектура и функциональные характеристики ПК «Хобот»для автоматизированного формирования модели многосекционного МТХ,структурно-параметрииеского синтеза, структурно-параметрической оп­тимизации и верификации геометрии многосекционного МТХ.6. Результаты исследования эффективности разработанного мате­матического, алгоритмического и программного обеспечения.Достоверность выносимых на защиту результатов обосновы­вается тем, что при построении математических моделей манипулятора иего элементов были использованы общепризнанные естественно-научныезаконы и допущения. Достоверность теоретических выкладок подтвер­ждена вычислительными экспериментами.Личный вклад соискателя.