Разработка методов синтеза и анализа механизмов параллельной структуры, имеющих кинематическую и приводную избыточность

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 23-29-00789

НазваниеРазработка методов синтеза и анализа механизмов параллельной структуры, имеющих кинематическую и приводную избыточность

Руководитель Ларюшкин Павел Андреевич, Доктор технических наук

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

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Степень свободы, кинематическая и приводная избыточность, механизм, манипулятор, робот, проектирование, кинематический анализ, рабочее пространство, особое положение

Код ГРНТИ55.30.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современный уровень проведения технологических операций подразумевает высокую степень автоматизации производственных процессов. Это позволяет создавать конкурентоспособную продукцию, концентрируя при этом человеческие ресурсы на проблеме постоянного совершенствования технологий, сокращая выполнение монотонных и однообразных операций, ошибки в которых могут существенно снижать качество производимой продукции. Основой автоматизации является внедрение в технологические линии робототехнических комплексов. В свою очередь базовым элементом большинства робототехнических комплексов является электромеханическая система – механизм или манипулятор. Одним из достаточно перспективных с прикладной точки зрения классов механизмов является класс механизмов параллельной структуры. Данные механизмы применяются для проведения высокоскоростных операций (сортировка, упаковка и т.п.), в операциях, требующих высокую жесткость в сочетании с возможностью реализации множества степеней свободы (авиатренажеры, устройства ориентации телескопов и т.п.), в операциях с высокой точностью и надежностью (хирургические роботы, устройства посттравматической реабилитации и т.п.). Обладая рядом важных функциональных преимуществ, подобные механизмы, конечно же, не лишены и недостатков. В частности, им свойственны относительно небольшие габариты рабочего пространства, а также наличие особых положений, при попадании в которые (а также при приближении к ним) механизм зачастую не может эксплуатироваться в связи с потерей степеней свободы или возникновении неуправляемой подвижности. Для решения данных проблем и расширения функциональных возможностей устройств, проектируемых на основе механизмов параллельной структуры, могут применяться различные способы, в частности: оптимальный структурный синтез, использование специализированных алгоритмов управления и планирования траектории, введение дополнительной обратной связи, использование дополнительных приводов или избыточной подвижности. Последние два способа является наиболее эффективным и объединены единым термином "избыточности": приводной или кинематической. В связи с этим данное исследование направлено на решение проблем проектирования и анализа механизмов параллельной структуры, имеющих избыток приводов. Исследование избыточности в механизмах параллельной структуры в настоящее время активно ведется отечественными и зарубежными учеными. Однако на сегодняшний день эти исследования носят частный характер и реализуются только для конкретных механизмов. Обобщенных подходов к решению данной проблемы, ориентированных на весь класс подобных механизмов или хотя бы некоторых групп топологий, фактически не разработано. Таким образом, разработка обозначенных методов является достаточно актуальной научной задачей с четкой перспективой практического применения. Научная новизна предлагаемого исследования заключается в получении новых методов синтеза и анализа механизмов параллельной структуры с избыточностью, в создании их ранее неизвестных архитектур с более совершенными функциональными свойствами и оптимальным строением, в получении новых данных кинематического анализа синтезированных механизмов, в исследовании их функциональных характеристик с учетом наличия особых положений и параметров рабочих пространств, а также в разработке обобщенных методов их проектирования и систематического анализа.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ларюшкин П.А., Фомин А.С., Глазунов В.А., Брем И.В., Фомина О.А. Redundantly Actuated 5-DOF Delta-Type Parallel Robot with Linear Drives Advances in Mechanism and Machine Science, Advances in Mechanism and Machine Science. IFToMM WC 2023. Mechanisms and Machine Science, vol 148. Pp. 820-827 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-45770-8_81

2. Ларюшкин П.А.,Исполов Е.М.,Долгих А.И. Решение задачи о положениях и исследование рабочей зоны плоского кинематически избыточного механизма параллельной структуры Известия высших учебных заведений. Машиностроение, Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 11. с. 20–28 (год публикации - 2023)
10.18698/0536-1044-2023-11-20-28

3. Глазунов В.А., Ларюшкин П.А., Шалюхин К.А. Structure, Kinematics, and Prototyping of a Parallel Manipulator with a Remote Center of Rotation Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Vol. 52, No. 6, pp. 585–591. (год публикации - 2023)
10.3103/S1052618823060080

4. Захаров М.Н., Ларюшкин П.А., Семенов А.В. Inverse Kinematics of a Kinematically Redundant Hybrid Parallel Mechanism Russian Engineering Research, Russian Engineering Research, 2024, Vol. 44, No. 11, pp. 1540–1544 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24702873

5. Брем И.В., Ларюшкин П.А., Фомин А.С., Антонов А.В. Design, Mobility and Kinematic Analysis of a 4-DOF 3R1T Redundantly Actuated Foldable Parallel Manipulator with a Circular Rail 2024 6th International Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots (ReMAR), 2024 6th International Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots (ReMAR), Chicago, IL, USA, 2024, pp. 309-314 (год публикации - 2024)
10.1109/ReMAR61031.2024.10617927

6. Ларюшкин П.А., Антонов А.В., Фомин А.С., Фомина О.А. Inverse and Forward Kinematics and CAD-Based Simulation of a 5-DOF Delta-Type Parallel Robot with Actuation Redundancy Robotics, Laryushkin P., Antonov A., Fomin A., Fomina O. Inverse and Forward Kinematics and CAD-Based Simulation of a 5-DOF Delta-Type Parallel Robot with Actuation Redundancy // Robotics 2025, 14, 1. DOI: doi.org/10.3390/robotics14010001 (год публикации - 2025)
10.3390/robotics14010001

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном периоде проведен анализ возможных подходов к синтезу механизмов с кинематической и приводной избыточностью, основанных на объединении нескольких неизбыточных механизмов параллельной структуры в системы относительного манипулирования без постоянного физического соединения конструктивных элементов этих механизмов, либо на построении гибридных механизмов параллельной структуры второго и высших порядков путем использования в качестве их кинематических цепей полноценных механизмов параллельной структуры. Установлено, что в системах относительного манипулирования будет преобладать кинематическая избыточность, в то время как в механизмах параллельной структуры второго и высшего порядков основной будет приводная избыточность. Синтезированы новые механизмы параллельной структуры с улучшенными функциональными возможностями: семейство шестиподвижных плоско-пространственных механизмов второго порядка с плоскими механизмами в кинематических цепях; пространственный трехподвижный кинематически избыточный поступательно-направляющий механизм с раздвижным выходным звеном-схватом; четырехподвижный сферический складной механизм с приводной избыточностью и круговой направляющей. Проведен анализ кинематики, рабочей зоны, особых положений и динамики механизмов параллельной структуры с различными типами избыточности. В процессе исследований разработаны новые подходы к решению возникающих задач. В частности, получено обобщенное решение обратной задачи о положениях для семейства шестиподвижных плоско-пространственных механизмов второго порядка, предложен способ определения максимально развиваемого усилия на интегрированном схвате механизма с кинематической избыточностью, улучшена методика решения прямой задачи о положениях для механизмов, основанных на четырехподвижной схеме Delta. Все математические модели исследованных механизмов реализованы в специализированных прикладных программах на языке программирования системы компьютерной алгебры MATLAB, позволяющих проводить необходимые расчеты с возможностью гибкого изменения исходных геометрических параметров и, с некоторыми ограничениями, структуры механизмов. Выполнено CAD-моделирование механизмов, включая проработку конструктивных решений и моделирование движения механизмов по траекториям, позволяющее определить необходимые прочностные характеристики конструктивных элементов и силовые характеристики приводов. Изготовлен физический прототип пространственного трехподвижного кинематически избыточного поступательно-направляющего механизма с раздвижным выходным звеном. В конструкции механизма использованы широкодоступные конструктивные элементы и детали, а все нестандартные детали изготовлены методом 3D-печати, что позволило создать недорогой и простой в сборке механизм. Данный механизм, помимо научных применений, может быть использован в образовательных целях. Полученные результаты расширяют представление о механизмах параллельной структуры с кинематической и приводной избыточностью, последовательности их синтеза и анализа, а также возможностях практического применения.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Возможность практического использования результатов проекта в экономике обуславливается созданием научного задела для совершенствования промышленных средств производства, в частности, робототехнических комплексов и роботизированных технологических систем. Разработанная концепция и обобщенные методики синтеза механизмов параллельной структуры с различными типами избыточности могут быть использованы при создании новых и усовершенствовании существующих технологических машин, что может вносить вклад в обеспечение экономического роста страны.