Анализ и проектирование многозвенных манипулятивных систем со значительной кинематической избыточностью

• Автор: Озорнин, Степан Олегович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 183 с. : ил

Введение.
Глава 1.
Математический аппарат для построения системы управления робототехническим комплексом со значительной кинематической избыточностью

1.1 Определение манипулятора со значительной кинематической избыточностью.

1.2 Обоснование рассматриваемой конструктивной схемы манипулятора с кинематической избыточностью

1.3 Обоснование базовой расчетной схемы.

1.4 Математическая модель кинематики плоского манипулятора с кинематической избыточностью.
1.5 Прямая и обратная задача кинематики для робототехнического комплекса со значительной кинематической избыточностью.

1.6 Описание алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами

1.7 Рефлекторное уклонение от препятствий.

1.8 Применение алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами для управления манипуляторами с кинематической избыточностью
1.9 Математическое представление алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами в векторах скоростей сочленений
1. Математическое представление алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами в базовых координатах
1. Математическое представление алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами в пространстве состояний.
1. Реализация алгоритма лидирующего звена с ортогональными векторами в виде цифровой системы с произвольнбйЧастотной характеристикой.
1. Возможные режимы работы робототехнического комплекса использующего алгоритм лидирующего звена с ортогональными векторами.
1. Выводы по первой главе
Глава 2.
Возможная структура робототехнического комплекса со значительной кинематической избыточностью.
2.1 Функциональные составляющие робототехнического комплекса со значительной кинематической избыточностью.
2.2 Свойства одноуровневой схемы
2.3 Свойства двухуровневой схемы
2.4 Структура двухуровневой схемы.
2.5 Выводы по второй главе
Глава 3.
Общие положения к посгроению операционной системы реального времени для мехатронных технических комплексов
3.1 Обзор существующих операционных систем реального времени
3.1.1 Тенденции развития аппаратной базы управляющих ЭВМ.
3.1.2 Расширения операционной системы МБООБ для рсазьного масштаба времени
3.1.3 Операционные системы реального времени 1ШХ МХ
3.1.4 ОСРВ для разрядных мини и микроЭВМ серии СМ.
3.1.5 Операционные системы ОЫХ, ХКеШппо.
3.1.6 Возможность применения в качестве операционной системы реального времени ОС с АР1 Vi.
3.1.7 Операционная система реального времени УхУогк
3.1.8 Другие операционные системы реального времени
3.2 Общие требования к операционным системам реального времени и их классификация.
3.2.1 Расширенное определение операционной системы реального времени.
3.2.2 Необходимость классификации операционных систем реального времени.
3.2.3 Классификация операционных систем реального времени
3.2.4 Критерий допустимости представления асинхронного события как синхронного.
3.2.5 Модели многозадачности.
3.3 Требования к операционной системе реального времени для мехатронных технических комплексов
3.3.1 Классификация и обшис требования к ОС РВ для мехатронных технических комплексов
3.3.2 Стандарты, определяющие переносимость программного обеспечения.
3.4 Выводы по третьей главе
Глава 4.
Построение операционной системы реального времени для мехатронных технических комплексов
4.1 РОБХ совместимая операционная система Ьпих как основа ОС РВ для мехатронных технических комплексов МОСРВ
4.2 К вопросу о политике планирования в системах заданного времени.
4.3 Модернизация ядра и средств разработки ОС Ьпих версии 2.2.x для его полного приведения к соответствию МОСРВ
4.4 Замечания по реализации
4.5 Реализация.
4.6 Выводы.
Глава 5
Применение предлагаемых методов построения мехатронных систем
5.1 Выяснение пригодности алгоритма ведущего звена с ортогональными векторами для построения управления в реальном масштабе времени
5.2 Алгоритм и структура программного комплекса
5.3 Способ реализации эксперимента на ЭВМ
5.4 Описание эксперимента
5.5 Результаты эксперимента
5.6 Основные режимы работы.
5.7 Описание эксперимента
5.7.1 Моделирование по методу представления ведущего звена в векторах скоростей сочленений
5.7.2 Моделирование по методу представления алгоритма ведущего звена в векторах скоростей сочленений с обратной связью по ориентации рабочего органа
5.7.3 Моделирование по метод представления алгоритма ведущего звена в базовых координатах
5.8 Моделирование цифровой системы с произвольной частотной характеристикой.
5.9 Проверка характеристик работы ОСРВ на базе Ьпих
5. Выводы по пятой главе
Заключение.
Литература


На практике это определение означает, в зависимости от геометрии манипулятора и конструктивных ограничений на перемещения звеньев, наличие у системы примерно и более степеней подвижности. Обоснование рассматриваемой конструктивной схемы манипулятора с кинематической избыточностью. В качестве основной конструктивной схемы будут рассматриваться робототехнические системы, ймеющие в своем составе манипуляторы со значительной кинематической избыточностью более двадцати степеней подвижности, которые состоят из однородных звеньев соединенных вращательными кинематическими парами. Подобная конструкция получила название манипулятор типа змея. Применение разнотипных звеньев в манипуляторах обусловлено необходимостью повышения манипулятивности. Необходимость осуществления манипулятором какихлибо типовых операций также диктует необходимость использования конкретных кинематических пар позволяющих решать данную задачу с максимальной эффектавностыо. Для систем имеющих значительную кинематическую избыточность задачи, описанные выше, могут быть решены за счет избыточных степеней подвижности. При этом состав модулей и структура системы управления могут не меняться, а варьироваться будет лишь количество модулей. Все это сильно упрощает как конструкцию манипулятора, е разработку и изготовление, так и систему управления и минимизирует требования к вычислительным мощностям, что особенно важно для дистанционноуправляемых робототехнических систем вырабатывающих управление в реальном масштабе времени. Следует отметить, что использование в сочленениях трехстепенных шарниров для рассматриваемой конструкции не оправданно. Необходимая мани пул яти вность достигается за счет избыточных степеней подвижности, что позволяет ограничиться использованием одно и двухстепенных шарниров. Обоснование базовой расчетной схемы. Все звенья этого манипулятора расположены в одной плоскости. Плоскость расположения манипулятора совпадаете горизонтальной. Сочленения манипулятора являются кинематическими парами пятого класса и допускают перемещение звеньев в горизонтальной плоскости. Модель должна позволять анализировать прочностные характеристики несущей конструкции манипулятора. Модель должна позволять произвести энергетическую оценку расчет приводов манипулятора. Модель должна быть достаточно информативной для исследования кинематики и динамики робототехнического комплекса и при этом, по возможности обеспечивать минимальную трудомкость вычислений. Предлагаемая модель получена на основе следующих рассуждений. Рассмотрим два звена соединенных вращательным суставом рис 1. Системы координат связанные со звеньями параллельны друг другу В этом случае суммарная нагрузка го звена в, приведенной к концу звена точка А уравновешивается силами реакций опор шарнира осевой реакцией И и радиачьными реакциями г,. Причем все силы действуют в одной вертикальной плоскости X. Следовательно, несущая конструкция манипулятора в этом случае испытывает только изгибающее нагружение. При повороте го звена на угол градусов относительно предыдущего рис 1. Суммарная нагрузка также уравновешивается этими реакциями, однако радиальные реакции п в данном случае действуют в качестве крутящего момента. Таким образом I1с звено испытывает сложное нагружение, сочетающее изгиб и кручение, а е звено испытывает только изгибающую нагрузку, как и в первом случае. Изменение угла поворота от 0 до градусов будет происходить уменьшение изгибающей составляющей нагрузки на с звено и увеличение крутящей составляющей. Рассмотрим общий случай рис 1. X. Суммарную нагрузку приведнную к му звену можно разложить на две проекции О и б,, на плоскости 2ИОУ. ХОУсы соответственно. Составляющая й будет компенсироваться радиальными реакциями г,. В тоже время реакций компенсирующих составляющую С в сочленении нет, при условии пренебрежения трением. То есть составляющая О будет компенсироваться моментом привода манипулятора. Очевидно, что при значении р градусов С 0, следовательно, вся нагрузка будет компенсироваться моментом, создаваемом приводом. Следует отметить, что значение этого момента будет зависеть от расстояния от точки О до точки А плеча приложения силы СО, которое будет максимальным при ф0 градусов. Рис.