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

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 проекта 22-79-10304

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

Руководитель Антонов Антон Вадимович, Кандидат технических наук

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

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 слова Степень 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
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)
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)
10.1007/978-3-031-32446-8_36

5. Антонов А.В., Фомин А.С., Глазунов В.А., Петелин Д.В., Филиппов Г.С. Type synthesis of 5-DOF hybrid (parallel-serial) manipulators designed from open kinematic chains Robotics, Vol. 12, iss. 4, p. 105425 (год публикации - 2023)
10.3390/robotics12040098

6. Антонов А.В., Фомин А.С., Глазунов В.А., Петелин Д.В., Шалюхин К.А. Шестикоординатное устройство для ручного управления робототехническими системами XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023): материалы мультиконференции в 4-х томах. Т. 1, C. 248–251 (год публикации - 2023)

7. Антонов А.В. Motion types of 2-DOF hybrid kinematic chains Springer Proceedings in Advanced Robotics, p. 278–287 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-64057-5_32

8. Антонов А.В. Stiffness evaluation and dimensional synthesis of a 5-DOF parallel-serial robot Mechanisms and Machine Science, p. 99–107 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-67383-2_10

9. Антонов А.В., Фомин А.С. A screw theory approach for instantaneous kinematic analysis of parallel–serial manipulators Journal of Mechanisms and Robotics, vol. 17, iss. 3, p. 031009 (год публикации - 2025)
10.1115/1.4066134

10. Антонов А.В. Parallel–serial robotic manipulators: a review of architectures, applications, and methods of design and analysis Machines, vol. 12, iss. 11, p. 811 (год публикации - 2024)
10.3390/machines12110811

11. Антонов А.В. Обратная кинематика манипуляторов гибридной структуры с параллельной частью типа «трипод» Машиностроение и инженерное образование, № 3–4, с. 37–44 (год публикации - 2024)
10.52261/18151051_2024_3-4_37

12. Антонов А.В. Dynamic analysis of a 5-DOF parallel-serial manipulator using Kane's method Mechanisms and Machine Science, p. 315–323 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-032-02106-9_35

13. Мухин К.С., Антонов А.В., Фомин А.С. Velocity analysis of a 6-DOF hybrid manipulator with two parallel modules Mechanisms and Machine Science, vol. 184, p. 176–187 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-95489-4_14

14. Антонов А.В. Design optimization of a parallel–serial manipulator considering stiffness criteria Robotics, vol. 13, iss. 12, p. 176 (год публикации - 2024)
10.3390/robotics13120176

15. Мухин К.С., Антонов А.В., Фомин А.С. Решение обратной кинематической задачи шестиподвижного робота относительного манипулирования, состоящего из двух модулей параллельной структуры Известия высших учебных заведений. Машиностроение, т. 785, № 8, с. 3–11 (год публикации - 2025)

Публикации

7. Антонов А.В. Motion types of 2-DOF hybrid kinematic chains Springer Proceedings in Advanced Robotics, p. 278–287 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-64057-5_32

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный период были разработаны виртуальные и физические прототипы (компьютерные и натурные модели) механизмов гибридной структуры на основе кинематических схем, синтезированных и предложенных в течение двух предшествующих этапов проекта. Виртуальные прототипы были использованы для компьютерного моделирования кинематических и динамических задач и проверки результатов, полученных предложенными ранее теоретическими алгоритмами. В ходе данного моделирования был проведен анализ кинематических параметров (положений, углов наклона, траекторий движения, скоростей и ускорений звеньев) и динамических параметров (усилий в шарнирах и приводных моментов) синтезированных механизмов. В результате установлено полное соответствие между данными, полученными теоретическим путем и с использованием виртуальных прототипов. Данные прототипы были также использованы для анализа рабочих зон и особых положений с учетом особенностей геометрии механизмов, конструктивных ограничений и возможности столкновений звеньев друг с другом. В частности, определены габариты рабочих зон при различных углах наклона и допустимые углы наклона при различных заданных положениях, а также найдены конфигурации, в которых выходные звенья синтезированных механизмов могут приобретать неуправляемую подвижность, терять степени свободы или изменять свой тип движения. На базе данных виртуальных прототипов и полученных данных компьютерного моделирования были изготовлены и собраны физические прототипы отдельных синтезированных механизмов. После сборки физических прототипов были проведены экспериментальные исследования, нацеленные на проверку основных функциональных характеристик механизмов. Для разработанных прототипов был проведен анализ структурных параметров (числа степеней свободы, типов движения, особых положений), кинематических характеристик (траекторий движения, углов наклона, линейных перемещений, скоростей движения), а также повторяемости и точности позиционирования. Полученные экспериментальные результаты подтвердили полученные ранее данные теоретических расчетов и компьютерного моделирования, и они могут быть использованы при дальнейшем проектировании и изготовлении реальных робототехнических систем на базе разработанных виртуальных и физических прототипов синтезированных механизмов. За отчетный период получены следующие научные результаты: 1. Разработаны виртуальные прототипы (компьютерные модели) механизмов гибридной структуры на основе синтезированных на предыдущих этапах проекта кинематических схем. В частности, разработаны виртуальные прототипы трех-, четырех-, пяти- и шестиподвижных механизмов параллельно-последовательной структуры на базе двух- и трехподвижных механизмов параллельной структуры с плоским (1T1R, 2T1R) и пространственным (1T2R) типами движения. Получены детализированные сборочные модели, позволяющие создавать на их основе физические прототипы данных механизмов, применяемые для решения практических задач. 2. Для разработанных виртуальных прототипов решены задачи кинематического и динамического анализа с использованием средств автоматизированного проектирования (SolidWorks, Autodesk Inventor, Компас) и пакетов математического моделирования (MATLAB, MathCAD, Julia). При решении задач учтены геометрические особенности звеньев механизмов, конструктивные ограничения в шарнирах, свойства используемых материалов и масс-инерционные параметры. 3. В результате кинематического и динамического моделирования с использованием виртуальных прототипов получены новые научные данные о траекториях движения звеньев синтезированных механизмов, размерах их рабочих зон, допустимых углах наклона выходных звеньев, развиваемых скоростях и ускорениях. Также определены усилия в приводных шарнирах, необходимые для реализации требуемых законов движения выходных звеньев при заданных параметрах внешней нагрузки. 4. Для группы механизмов гибридной структуры, основанных на плоских трехподвижных механизмах параллельной структуры с приводной избыточностью, решены задачи параметрического синтеза. Определены геометрические параметры звеньев согласно желаемым габаритам и форме рабочей зоны, показателям жесткости и близости к особым положениям. Задачи параметрического синтеза решены оптимизационным методом ε-ограничений с учетом конструктивных ограничений в шарнирах механизмов, соответствующих разработанным виртуальным прототипам. 5. На основе спроектированных виртуальных прототипов и полученных данных параметрического синтеза изготовлены и собраны физические прототипы (натурные модели) синтезированных механизмов гибридной структуры. В частности, изготовлены два прототипа двухмодульных механизмов параллельно-последовательной структуры с пятью и шестью степенями свободы на базе плоских механизмов параллельной структуры 4-ВПВ и 4-ПВВ. 6. На изготовленных прототипах проведены экспериментальные исследования, нацеленные на анализ их кинематических и динамических характеристик и оценку структурных параметров. Выполнена экспериментальная проверка типов движения и особых положений механизмов, определены габариты рабочих зон, возможные углы наклона их выходных звеньев и развиваемые скорости с учетом и без учета внешней нагрузки. Полученные данные были сопоставлены с обретенными ранее результатами теоретических исследований и компьютерного моделирования. Установлено соответствие между данными результатами, свидетельствующие о корректности теоретических алгоритмов кинематического и динамического анализа, предложенных на предыдущих этапах выполнения проекта.

Публикации

7. Антонов А.В. Motion types of 2-DOF hybrid kinematic chains Springer Proceedings in Advanced Robotics, p. 278–287 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-64057-5_32

Возможность практического использования результатов
Вклад результатов проекта в развитие экономики и социальной сферы заключается в последующем применении предложенных механизмов в различных областях народного хозяйства с целью повышения уровня автоматизации технологических процессов, увеличения безопасности труда и снижения трудоемкости выполняемых человеком операций. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и создании автоматизированных устройств и робототехнических систем, основанных на исследованных механизмах, в машиностроении, аддитивных технологиях, сельском хозяйстве, медицине и других сферах деятельности человека. Теоретические и практические результаты проекта могут быть использованы в научных-исследовательских работах, связанных с синтезом и анализом механизмов и машин, а также в образовательной деятельности при чтении курсов, посвященных теории механизмов, машиноведению и робототехнике.