КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-79-10304

НазваниеРазработка методов синтеза и алгоритмов анализа механизмов гибридной структуры, построенных на основе открытых кинематических цепей

РуководительАнтонов Антон Вадимович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-107 - Мехатроника и робототехника

Ключевые словаСтепень свободы, открытая кинематическая цепь, гибридный механизм, манипулятор, роботизированная система, синтез, кинематический анализ, динамический анализ

Код ГРНТИ30.15.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Механизм гибридной структуры — это механическая система, образованная объединением нескольких кинематических цепей параллельной или параллельной и последовательной структур. Наличие данных цепей позволяет гибридным структурам иметь преимущества как параллельных, так и последовательных механических систем. Для ряда практических применений устройства, спроектированные на основе таких механизмов, будут обеспечивать наиболее эффективное выполнение заданных операций. К таким устройствам относятся хирургические роботы, системы обработки деталей машин, сервисные робототехнические системы, строительные машины и иные технологические устройства, создаваемые на основе гибридных механизмов. Несмотря на широкую область применения и продвинутые функциональные характеристики механизмов данного типа, они все еще создаются путем частных решений либо за счет объединения отдельно взятых кинематических цепей параллельной и последовательной структур. Поэтому обобщенный подход к систематическому созданию и анализу данных механических систем фактически отсутствует. В настоящем проекте предлагается принципиально новый метод синтеза гибридных механизмов, основанный на использовании исключительно открытых кинематических цепей. Кроме этого, в заявляемом проекте формулируется и решается комплекс задач, связанных с последующим исследованием синтезированных механизмов. Также в рамках заявляемого проекта будут созданы ранее неизвестные гибридные механизмы, имеющие эффективное строение и продвинутые функциональные характеристики для последующего применения в современных строительных, робототехнических, технологических, медицинских и сервисных устройствах. В связи с этим направление представленного проекта, связанное с созданием группы многофункциональных механизмов, предназначенных для решения широкого круга технологических задач, представляется достаточно актуальным. Научная новизна представляемого исследования состоит в формировании принципиально новых методов синтеза и алгоритмов комплексного анализа гибридных механизмов; в синтезе ранее неизвестных кинематических схем, имеющих оптимальное строение и обеспечивающих расширенные габариты рабочих пространств; в получении новых данных кинематического и динамического анализа синтезированных механизмов; в исследовании их функциональных характеристик; в формировании обобщенных алгоритмов их проектирования и комплексного анализа. Выполнение предлагаемого проекта даст возможность получить принципиально новую и эффективную методологию синтеза гибридных механизмов на основе открытых кинематических цепей; найти ранее неизвестные кинематические схемы механизмов данного типа; получить новые научные данные о зависимостях кинематических и динамических параметров; получить виртуальные и физические прототипы новых гибридных механизмов, являющиеся основой для создания реальных технологических устройств; получить новые алгоритмы комплексного кинематического и динамического анализа.

Ожидаемые результаты
Главным результатом выполнения заявляемого проекта является создание обобщённой методологии синтеза и комплексного анализа механизмов гибридной структуры, построенных на основе открытых кинематических цепей. Несмотря на весьма продвинутые функциональные характеристики и возможность применения механизмов данного типа в ряде ключевых практических применений, на данный момент обозначенная проблема не имеет систематического решения. По результатам выполнения проекта будет получена обобщённая методология структурного синтеза гибридных механизмов, в рамках которой будут определены новые аналитические зависимости, позволяющие связать базовые структурные параметры (число и тип звеньев и кинематических пар входящих в состав кинематических цепей; число и тип наложенных связей, подвижностей и приводов, обеспечивающих заданные степени свободы выходного звена); новые алгоритмы параметрического синтеза механизмов гибридной структуры; новые алгоритмы проектирования гибридных механизмов; ранее неизвестные структурные и кинематические схемы гибридных механизмов; новые научные данные о формировании строения гибридных механизмов с учетом типа открытых кинематических цепей, образующих принципиальную часть их конструкций; новые алгоритмы кинематического анализа гибридных механизмов, включающие исследование особых положений и построение рабочих пространств; детализированные виртуальные прототипы указанных механизмов, обеспечивающие создание на их основе физических прототипов, а также изменение конструктивного дизайна; новые данные динамического анализа. Обозначенные результаты реализации проекта позволят систематически создавать гибридные механизмы и проводить их комплексный анализ. Научная новизна предлагаемого проекта состоит: В разработке методологических алгоритмов синтеза новых механизмов, базирующихся на структурно-геометрическом анализе связей, налагаемых открытыми кинематическими цепями; проектировании новых кинематических схем гибридных механизмов; в получении новых данных теоретических исследований кинематических параметров гибридных механизмов на основе критериев особых положений; в разработке алгоритмов построения рабочих пространств; в формировании методологических приемов оценки количественной и качественной характеристик разработанных механизмов в зависимости от их функционального назначения на основе анализа рабочих пространств; в формировании алгоритмов решения задач о положениях, скоростях и ускорениях; в разработке алгоритмов исследования проблем динамики синтезированных механизмов. Практическая значимость предлагаемого проекта состоит: В разработке детализированных моделей гибридных механизмов с учетом применения для конкретных технологических задач (в том числе для медицинской робототехники, сервисных приложений, обучающих технологий, машиностроения и обработки деталей машин, приборостроения); в разработке алгоритмов исследования кинематических и динамических параметров синтезированных гибридных механизмов; в создании их прототипов, позволяющих моделировать технологические процессы в различных режимах; в разработке алгоритмов управления созданных гибридных механизмов; в получении данных анализа их функциональных возможностей с учетом особых положений, точности, параметров рабочих пространств; в разработке практических рекомендаций по проектированию гибридных механизмов, синтезированных на основе открытых кинематических цепей. Вклад результатов проекта в развитие в экономики и социальной сферы заключается в последующем применении разработанных механизмов с целью повышения уровня автоматизации технологических процессов, увеличения безопасности труда и снижения трудоемкости операций, выполняемых человеком. С учетом поставленных научных задач, методов исследования, предлагаемых для их решения, и анализа современных мировых достижений по проблемам синтеза и анализа гибридных механизмов и роботов, результаты реализации предлагаемого проекта по научному содержанию и научной значимости будут соответствовать передовым мировым достижениям в области теории механизмов и машин и робототехники.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период выполнен аналитический обзор исследований в области структурного синтеза и анализа механизмов гибридной структуры, в частности, механизмов параллельно-последовательной, параллельно-параллельной и параллельно-перекрестной структуры. Рассмотрены методы структурного синтеза и анализа, основанные на применении теории групп (group theory), множеств обобщенных функций (generalized functions sets), множеств характеристик положения и ориентации (position and orientation characteristics sets), линейных преобразований (linear transformation), теории винтов (screw theory), геометрической алгебры (conformal geometric algebra), грассмановой геометрии прямых (Grassmann line geometry), генераторов ограничений движения (motion constraint generator), структурных формул (mobility formulae), теории графов (graph theory), параметров Денавита — Хартенберга (Denavit–Hartenberg parameters). Согласно проведенному обзору методов структурного синтеза и анализа установлено, что одними из наиболее эффективных подходов являются методы на базе теории винтов. В результате, используя аппарат винтового исчисления, была разработана методология структурного синтеза механизмов гибридной структуры, построенных на основе открытых кинематических цепей. Суть данной методологии заключается в выделении подцепи в составе открытой кинематической цепи и ее последующей замены на кинематическую цепь параллельной структуры, так что тип движения выходного звена синтезированного таким образом механизма гибридной структуры сохраняет тип движения лежащей в его основе открытой кинематической цепи. В общем случае после такой замены типы движения синтезированного механизма гибридной структуры и исходной открытой кинематической цепи могут отличаться. В связи с этим был проведен анализ структур открытых кинематических цепей с числом степеней свободы от двух до шести, учитывающий взаимное расположение осей кинематических пар, и определены те структуры, которые могут лежать в основе синтезируемых механизмов гибридной структуры. Также были определены и классифицированы все типы движения, реализуемые данными кинематическими цепями. В частности, установлено, что двухподвижные цепи могут реализовать шесть различных типов движения, трехподвижные цепи — двенадцать различных типов движения, четырехподвижные цепи — шесть различных типов движения, пятиподвижные цепи — два различных типа движения, и шестиподвижные цепи — один тип движения. Последующая задача структурного синтеза механизмов гибридной структуры фактически сводится к структурному синтезу входящих в их состав механизмов параллельной структуры с учетом структуры исходной открытой кинематической цепи и соответствующего ей типа движения. Применение аппарата винтового исчисления позволяет установить возможные структуры данных механизмов параллельной структуры. При этом механизм параллельной структуры может реализовать тип движения, отличный от типа движения заменяемой им подцепи, тогда как выходное звено синтезированного механизма гибридной структуры сохранит тип движения исходной открытой цепи. Таким образом, предлагаемый подход значительно расширяет возможности структурного синтеза механизмов гибридной структуры и позволяет получить новые структурные схемы таких механизмов. Разработанная методология структурного синтеза позволяет создавать механизмы гибридной структуры, так что их выходные звенья будут гарантированно иметь тип движения лежащих в их основе открытых кинематических цепей. Используя предлагаемые методы, был получен ряд принципиально новых схем пространственных механизмов гибридной структуры. Проводимый с помощью методов винтового исчисления структурный анализ подтвердил корректность результатов структурного синтеза и работоспособность механизмов. Были получены новые данные о закономерностях влияния структур открытых кинематических цепей на тип движения синтезируемых механизмов гибридной структуры. В результате разработки методологии структурного синтеза были получены новые научные данные о формировании строения механизмов гибридной структуры с учетом входящих в их состав кинематических цепей. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при разработке робототехнических и мехатронных систем, основанных на механизмах гибридной структуры и ориентированных на выполнение заданных технологических операций и практических приложений. Развитие настоящего исследования состоит в комплексном кинематическом и динамическом анализе синтезированных механизмов и получении новых схем механизмов гибридной структуры.

 

Публикации

1. Антонов А.В., Фомин А.С. Решение обратной кинематической задачи для пятиподвижного манипулятора гибридной структуры Автоматика и телемеханика, № 3, с. 106–125 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0005231023030054

2. Антонов А.В., Фомин А.С. Inverse kinematics of a 5-Dof hybrid manipulator Automation and Remote Control, т. 84, № 3 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25728/arcRAS.2023.65.26.001

3. Антонов А.В., Фомин А.С. Velocity analysis of a 5-DOF hybrid manipulator Mechanisms and Machine Science, т. 124, с. 161–170 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/978-3-031-29815-8_16

4. Антонов А.В., Фомин А.С. Mechanism design and inverse kinematics of a 5-DOF medical assistive manipulator Mechanisms and Machine Science, т. 133 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/978-3-031-32446-8_36

5. Антонов А.В., Фомин А.С., Глазунов В.А. Шестиподвижный пространственный механизм параллельно-последовательной структуры -, Зарегистрирована заявка № 2023104557 на изобретение (год публикации - )