Диссертация (1150804), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Каждая кинематическая цепь состоит из несколькихподвижно соединенных звеньев, приводимых в движение однотипными ротационными или телескопическими приводами. Манипуляционное устройство,содержащее в своем составе параллельный механизм, по сравнению с манипулятором, имеющим последовательное строение, обладает следующимидостоинствами: высокая жесткость, высокая точность, равномерное распределние нагрузки, высокая грузоподъемность, единый тип приводных элементов, идентичные информационные элементы, универсальный вид уравненийдинамики для каждого звена исполнительного механизма.
Платформа Стюарта, например, используется в станкостроении для создания универсальныхматериалообрабатывающих центров, 3D принтеров, погрузочных манипуляторов. Технологическое оборудование параллельной структуры за счет минимального количества переустановок производит многокоординатную обработку деталей с более высоким быстродействием и точностью по сравнениюс обычным оборудованием последовательного строения. Таким образом, применение механизмов указанного типа приводит к существенному снижениювремени обработки и, следовательно, стоимости готового изделия.При управлении манипуляторами и динамическими стендами параллельной структуры с шестью степенями свободы формирование задающих воздействий осуществляется по шести координатам (три линейных перемещения итри вращения) одновременно.
Подвижная платформа может принимать различную пространственную ориентацию и одновременно смещаться в систе-10ме координат неподвижного основания. Управление механизмом происходитпри одновременном изменении длин в телескопических приводах или угловповорота в ротационных приводах.Платформа Стюарта имеет богатую историю своего развития. Впервыемеханизм стал применяться при проектировании динамических имитационных испытательных стендов [32], позднее стал использоваться в созданииразличных манипуляционных механизмов, например, l-координатных роботов [44].В настоящее время наметилась тенденция к использованию параллельных механизмов в качестве задающих устройств манипуляторов различнойконфигурации с шестью степенями подвижности [113].Платформа применяется в задачах динамической имитации различныхуправляемых объектов [1, 6–8].
Имитационные стенды, построенные на базе платформы Стюарта, имеют широкое применение для испытания новыхтипов летательных аппаратов и подготовки пилотов, подобые крупные динамические стенды создаются ведущими авиастроительными компаниями, причем, примерно на десять самолетов выпускается один стенд [33]. К платформестенда крепится кабина самолета, и пилот органами управления самолетомпутем изменения длин стержней приводит стенд в движение. При этом у летчика создается полная иллюзия реального перемещения в пространстве вместе с самолетом [4].
Стенды применяются для обучения пилотов, в том числедля обучения правильному поведению в экстремальных ситуациях, для отработки посадки самолета в конкретных аэропортах мира, для поддержанияхорошей летной формы.Различные модификации механизма Стюарта применяются для позиционирования активных поверхностей зеркал радиотелескопов [12, 34], [61]. Вчилийском 1,5-метровом телескопе "Гексапод" используется механизм Стю-11арта в качестве монтировки.Пространственная рама Тейлора, используемая в ортопедической хирургии для коррекции деформации костей и для лечения сложных переломов,также построена на базе платформы Стюарта (см. рис. 3).Рис. 3: Пространственная рама Тейлора для фиксации конечностей человека.Система стыковки космических аппаратов с низким воздействием, разработанная НАСА, использует платформу Стюарта для манипуляций с космическими средствами передвижения во время стыковки.Компания Geodetic Technology зарегистрировала товарный знак "шестиножник" (англ.
— hexapod) для платформ Стюарта, используемых в машиностроении.В Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре сопротивления материалов и деталей машин разработан ряд погрузочных манипуляторов, в основе исполнительного механизма которых используется модифицированная платформа Стюарта. Манипулятор-трипод можетустанавливаться на самоходные шасси (колёсные, гусеничные и шагающие).12Интересная разработка представлена американским университетом робототехники (Carnegie Mellon University Robotics Institute) [79] . Предлагаемуюконструкцию, напоминающую куст, каждая ветка которого представляет собой платформу Стюарта, можно отнести к классу l-координатных манипуляторов.
В данном механизме подвижная платформа каждого звена можетзначительно менять свое положение, угол наклона, удлинять звено, что позволяет добиваться значительной гибкости всей конструкции при сохранениижесткости и прочности. Стоит отметить, что при этом существует ограничение на угол поворота каждого звена ±30o , в то время, как подавляющеебольшинство существующих кустовых роботов способны вращать свои звеньявокруг оси на один оборот и более.
Отметим, что при необходимости это ограничение можно обойти путем установки в основании каждого звена дополнительного цилиндрического шарнира, ось которого совпадает с продольнойосью симметрии звена. На рис. 4 представлен пример ветки манипулятора снесколькими звеньями.Рис. 4: Ветвящаяся струтура второго уровня.ПлатформаСтюартатакжебылапредложенадлясоздания13наноманипулятора-ассемблера [102]. Его точность позиционирования должнабыть достаточной для образования между атомами различных химическихсвязей. Этого можно добиться, используя так называемый “гибкий” инструмент, присоединяющий к себе необходимый атом одной химическойсвязью и, присоединив его на место с более сильной связью, разорватьприсоединяющую к инструменту.
Для повышения жесткости и прочностибыла разработана система из двух треног, названная “двойной трипод”,представленная на рис. 5.Рис. 5: Проект нанонманипулятора "двойной трипод".Данная конструкция состоит из двух треног, каждая из которых имеетодин главный и два несущих стержня. Их функция – изменение положениячасти верхнего шарнирного соединения, в котором размещается инструмент.Вся конструкция в целом имеет бо́льшую жесткость, чем платформа Стюарта.Интереная конструкция под названием Робокран также является разновидностью манипулятора, построенного по схеме платформы Стюарта. Он14был изобретен Джеймсом Альбусом в американском подразделении Интеллектуальных систем в Национальном институте стандартов и технологий(NIST).
Механизм представляет собой многоцелевой манипулятор с тросовым приводом вместо штоков переменной длины (см. рис. 6).Рис. 6: Робокран американского Национального института стандартов и технологий.Робокран позволяет перемещать и ориентировать полезный груз произвольно в рабочей области благодаря шести степеням свободы подвижнойплатформы. Управлять движением можно в ручном режиме, режиме телеоператора и в автоматическом режиме – путем графического задания программы движения. Также существует смешанный способ. Первоначально робокран разрабатывался в рамках проекта DARPA для точного позиционирования грузов для обычных кранов.
Позднее механизм был усовершенствовандля различных задач переноса груза на земле, воде, воздухе и в космосе. Онспособен выдерживать высокие нагрузки, имеет устойчивую конфигурацию,высокую гибкость, превосходную маневренность и способен перемещаться поразнообразным поверхностям.Платформе Стюарта посвящены многочисленные научные работы, иссле-15дующие кинематику, динамику, управление платформой. В работе [54] вводится понятие управляющих связей, обозначающих нестационарные голономные связи, используемые для управления движением платформы.
При этомвозникает ряд задач кинематического и динамического характера: задачаопределения границы области достижимых положений платформы, задачаоптимальной схемы крепления штоков, задача статической и динамическойустойчивости и т.д. Можно выделить целую серию работ, связанную с поиском оптимальных конструкций и исследованием кинематики платформы,как частного случая параллельного механизма [57, 58, 64, 77, 78, 82–84, 94, 95].Решение прямой кинематической задачи часто встречается в литературе, типичный пример – работа иностранных ученых [100]. Богатый выбор конструкторских решений для создания динамических стендов расширяется благодаря развитию различных электромеханических устройств, которые могут быть использованы в качестве приводов, обеспечивающих заданные программные движения платформы; это находит отражение в научных ислледованиях [86, 101].В работе [60] выведены уравнения всех поверхностей для множества достижимых положений платформы, работа [80] представляет решение прямойи обратной задач кинематики, в ней изучена динамика платформы с учетомтрения в шарнирах, а также рассмотрена модель с учетом динамическоговоздействия штоков.Исследования стенда-тренажера “динамическое кресло” представлены вработах Б.В.Трифоненко [20, 28–31].
В них решаются задачи создания алгоритма управления по заданному закону, подбор оптимальной кинематики,задача выбора закона движения для имитации полета. Синтез и оптимизациякинематических схем имитационных стендов рассмотрены в работах [52, 53].Динамика стендов, имитирующих движение, вопросы проектирования иссле-16дованы в работах [7, 10, 11, 13, 19, 36, 41, 55, 81].В статье [32] изучается динамика платформы с общим видом уравненийсвязей, в монографии [33], статье [51] и докладе [34] платформа описываетсяс использованием специальной формы уравнений динамики системы твердыхтел [51]. Применение методов фракционного анализа в задачах стабилизациидинамического стенда описано в работе [17].Одно из первых упоминаний о создании программного обеспечения дляуправления системой можно найти в докладе [42], новые аспекты данноговопроса встречаются в более поздних работах, например, в статье [62].Перейдем к краткому изложению диссертации.В первой главе рассматривается платформа, моделируемая материальной точкой на трех опорах.
Исследован случай опор в виде стержней переменной длины, в дальнейшем называемых штоками (см. рис. 1a), и в видекривошипно-шатунных механизмов (см. рис. 1b). Материальная точка крепится к опорам с помощью сферических шарниров. Штоки к основанию икривошипы к шатунам также крепятся сферическими шарнирами. Оба механизма из этой главы имеют три степени свободы.Глава вторая посвящена платформе на трех опорах и моделируется тонким диском, в который вписан правильный треугольник, показанный нарис. 1c. Штоки крепятся к платформе сферическими шарнирами, к основанию – цилиндрическими шарнирами. Механическая система имеет три степени свободы.В третьей главе исследуется платформа Стюарта на шести штоках (см.рис. 2a).Четвертая глава решает задачи динамики и кинематики для платформыСтюарта с шестью кривошипно-шатунными опорами (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
