Минимизация инерционных нагрузок плоских манипуляторов параллельной структуры посредством оптимального управления

Аракелян Виген; Фомин А; Генг Ж

doi:10.31857/S023571190000514-6

Главная

Проблемы машиностроения и надежности машин

Выпуск 4

Минимизация инерционных нагрузок плоских манипуляторов параллельной структуры посредством оптимального управления

Аннотация
Оценка
Библиография

Минимизация инерционных нагрузок плоских манипуляторов параллельной структуры посредством оптимального управления

Код статьи

S023571190000514-6-1

DOI

10.31857/S023571190000514-6

Тип публикации

Статья

Статус публикации

Опубликовано

Авторы

Аракелян Виген

Аффилиация:
Национальный Институт Прикладных Наук
Научно-исследовательский институт в области коммуникаций и кибернетики
Адрес: Ренн, Франция

Фомин А

Аффилиация: Сибирский государственный индустриальный университет,
Адрес: Новокузнецк, Россия

Генг Ж

Аффилиация:
Национальный Институт Прикладных Наук
Научно-исследовательский институт в области коммуникаций и кибернетики
Адрес: Новокузнецк, Россия

Название журнала

Проблемы машиностроения и надежности машин

Выпуск

Выпуск 4

Страницы

3-10

Аннотация

В настоящей работе предлагается комбинированный метод уравновешивания плоских механизмов параллельной структуры, включающий синтез механизмов с уменьшенным ускорением центра масс, а также уравновешивание посредством перераспределения масс движущихся звеньев. Предлагаемый метод реализуется в два этапа, включающие оптимальное перераспределение масс входных звеньев для обеспечения сходимости траектории захвата и общего центра масс манипулятора, затем достижение оптимального управления ускорением захвата по закону «банг-банг». Управление по такому закону позволит максимально уменьшить ускорение центра масс и, соответственно, главный вектор сил инерции. Метод применен к плоским 5R и 3RRR манипуляторам параллельной структуры. Эффективность предложенного метода проиллюстрирована посредством численного моделирования, выполненного с использованием программного комплекса ADAMS, где для 5R манипулятора уменьшение инерционных нагрузок на основание достигло 78%, а для 3RRR манипулятора 60%.

Ключевые слова

Сила инерции, уравновешивание, механизм, манипулятор параллельной структуры, оптимальное управление.

Дата публикации

15.10.2018

Кол-во символов

18504

Цитировать Скачать pdf Для скачивания PDF необходимо авторизоваться

ГОСТ	Аракелян В. , Фомин А. , Генг Ж. Минимизация инерционных нагрузок плоских манипуляторов параллельной структуры посредством оптимального управления // Проблемы машиностроения и надежности машин – 2018. – Выпуск 4 C. 3-10 [Электронный ресурс]. URL: http://ras.jes.su/pminm/s207987840000981-8-1 (дата обращения: 30.04.2024). DOI: 10.31857/S023571190000514-6
MLA	Arakelyan, Vigen, Fomin, A., Geng, Zh "Minimizing the inertial loads of flat manipulators of a parallel structure through optimal control." Problemy mashinostroeniia i nadezhnosti mashin 4 (2018):3-10. DOI: 10.31857/S023571190000514-6
APA	Arakelyan V., Fomin , Geng Z. (2018). Minimizing the inertial loads of flat manipulators of a parallel structure through optimal control. Problemy mashinostroeniia i nadezhnosti mashin (4), pp.3-10 DOI: 10.31857/S023571190000514-6

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.


1	Введение
2	Плоские манипуляторы параллельной структуры переставляют собой механические системы, в которых используется несколько кинематических цепей, ориентирующих выходное звено основания [1, 2]. Такие манипуляторы имеют возможности широкого применения, поскольку обеспечивают высокую точность, жесткость, легкую сборку и повышенные динамические характеристики [3]. Уравновешивание сил инерции плоских манипуляторов параллельной структуры является комплексной проблемой, которая часто решается либо неизбежным увеличением общей массы движущихся звеньев, либо значительным усложнением конструкции исходного механизма. Во многих промышленных манипуляторах при движениях на высоких скоростях сталкиваются с проблемой вибрации основания, основной причиной возникновения которой является неуравновешенность сил инерции, приводящая к увеличению переменных динамических нагрузок опорных элементов манипулятора [4]. Основной задачей уравновешивания является устранение или уменьшение переменных динамических нагрузок, передаваемых основанию механизма.
3	Одним из самых простых и легко осуществимых методов является уравновешивание путем перераспределения масс движущих звеньев для обеспечения неизменного положения центра масс подвижных звеньев [5-10]. Очевидно, что добавление дополнительных масс в виде противовесов нежелательно, поскольку это приводит к увеличению общей массы механизма, его габаритных размеров и динамических усилий в кинематических парах. Поэтому во многих задачах уравновешивания промышленных роботов в качестве противовесов часто используются массы двигателей [11].
4	Известны также различные подходы к уравновешиванию сил инерции путем изменения структуры кинематической схемы или добавления вспомогательных звеньев с целью обеспечения неподвижного положения общего центра масс [7, 12-14]. Так, в исследованиях [15, 16] выполнен синтез пятизвенного манипулятора параллельной структуры путем изменения его геометрических параметров, в результате чего была получена новая полностью уравновешенная кинематическая цепь. Неудобство практического применения этого метода состоит в том, что конструкторы редко имеют возможность фиксировать значения масс движущихся звеньев, а затем находить кинематические параметры с геометрическими ограничениями.
5	Были разработаны и методы численной оптимизации для уменьшения динамических нагрузок, воздействующих на основания манипуляторов. В исследованиях [17, 18] инерционные силы, действующие на стойку плоского 5R манипулятора параллельной структуры, были сведены к минимуму путем оптимального выбора параметров масс всех подвижных звеньев. Динамическое уравновешивание плоских 5R манипуляторов также было сформулировано в виде задачи оптимизации при использовании суммарных значений сил инерции, моментов сил инерции и входных вращающих моментов [19, 20].

всего просмотров: 1282

Оценка читателей: голосов 0

1. Glazunov V.A., Lastochkin A.B., Shalyukhin K.A., Danilin P.O. Analysis and classification of relative manipulation devices. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc, 2009, vol. 4, pp. 81-85.

2. Glazunov V.A., Chunichin A.Yu. Development of Mechanisms of Parallel Structure. Journal of Machinery manufacture and Reliability, Allerton Press Inc., 2014, vol. 3, pp. 37-43.

3. Kheylo S.V., Glazunov V.A., Shirinkin M.A., Kalendaryov A.V. Possible applications of mechanisms of parallel structure. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc., 2013, vol. 5, pp. 19-24.

4. Glazunov V.A., Dugin E.B, Kistanov V.A., Wu Ngok Bik. Parameter optimization of parallel mechanisms by working-space simulation. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc., 2005, vol. 6, pp. 8-12.

5. Arakelian V., Briot S. Balancing of linkages and robot manipulators. Advanced methods with illustrative examples. Springer, Switzerland, 2015, 291 p.

6. Laliberté T., Gosselin C., Jean M. Static balancing of 3-DOF planar parallel mechanisms. IEEE/ASME Trans. Mechatronics, 1999, vol. (4)4, pp. 363-77.

7. Agrawal S., Fattah A. Reactionless space and ground robots: novel design and concept studies. Mech. Mach. Theory, 2004, vol. 39(1), pp. 25-40.

8. Arakelian V., Samsonyan A., Arakelyan N. Optimum shaking force balancing of planar 3-RRR parallel manipulators by means of an adaptive counterweight system. Journal of Robotics and Mech. Eng. Research, 2015, vol. 1(2), pp. 36-41.

9. Acevedo M. Conditions for dynamic balancing of planar parallel manipulators using natural coordinates and their application. Proc. of the 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, 2015, pp. 25-30.

10. Briot S., Bonev I.A., Gosselin C.M., Arakelian V. Complete shaking force and shaking moment balancing of planar parallel manipulators with prismatic pairs. Proc. Inst. Mech. Eng. K J. Multi-body Dyn., 2009, vol. 222(1), pp. 43-52.

11. Bayer A., Merk G. Industrial robot with a weight balancing system. EP Patent 2301727, August 24, 2011.

12. Fattah A., Agrawal S. Design arm simulation of a class of spatial reactionless manipulators. Robotica, 2005, vol. 3, pp. 75-81.

13. Wu Y., Gosselin C. Synthesis of reactionless spatial 3-dof and 6-dof mechanisms without separate counter-rotations. Int. J. Robotics Res., 2004, vol. 23(6), pp. 625-42.

14. Herder J., van der Wijk V. Force balanced Delta robot. NL Patent 2002839, May 3, 2010.

15. Ouyang P., Zhang W. A novel force balancing method for real-time controllable mechanisms. Proc. of the IDETC/CIE. Montreal, 2002, vol. 5, pp. 183-190.

16. Ouyang P., Zhang W. Force balancing of robotic mechanisms based on adjustment of kinematic parameters. J. Mech. Des., 2005, vol. 127, pp. 433-440.

17. Ilia D., Cammarata A., Sinatra R. A novel formulation of the dynamic balancing of five-bar linkages. Proc. of the 12th IFToMM World Congress, 2007, pp. 1-6.

18. Ilia D., Sinatra R. A novel formulation of the dynamic balancing of five-bar linkages with applications to link optimization. Multibody Syst. Dyn., 2009, vol. 21(2), pp. 193-211.

19. Alici G., Shirinzadeh B. Optimum dynamic balancing of planar parallel manipulators based on sensitivity analysis. Mech. Mach. Theory, 2006, vol. 41, pp. 1520-1532.

20. Buganza A., Acevedo M. Dynamic balancing of a 2-DOF 2RR planar parallel manipulator by optimization. Proc. of the 13th IFToMM World Congress, Guanajuato, 2011, pp. 1-6.

21. Briot S., Arakelian V., Le Baron J.-P. Shaking force minimization of high-speed robots via centre of mass acceleration control. Mech. Mach. Theory, 2012, vol. 57, pp. 1-12.

22. Nenchev D.N. Reaction null space of a multibody system with applications in robotics. Mech. Sci., 2013, vol. 4, pp. 97-112.

23. Mendoza-Trejo O., Cruz-Villar C.A., Peon-Escalante R., Zambrano-Arjona M.A., Penunuri F. Synthesis method for the spherical 4R mechanism with minimum center of mass acceleration. Mech. Mach. Theory, 2015, vol. 93, pp. 53-64.

24. Arakelian V., Briot S. A mechatronic approach to the design of balanced slider-crank mechanisms. J. Mechatron., 2014, vol. 2(2), pp. 131-135.

25. Glazunov V.A., Briot S., Arakelyan V., Gruntovich M.M., Ngyuen Minh Thanh. Development of manipulators with a parallel-cross structure. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc., 2008, vol. 37(2), pp. 176-185.

26. Aleshin A.K., Glazunov V.A., Shai O., Skvortsov S.A., Lastochkin A.B. Infinitesimal displacement analysis of a parallel manipulator with circular guide via the differentiation of constraint equations. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc., 2016, vol. 45(5), pp. 398-402.

27. Khalil W., Dombre E. Modeling, Identification and Control of Robots. Hermes Penton, London, 2002, 500 p.

28. Angeles J., Nahon M., Thümmmel T. Active control for the complete dynamic balancing of linkages. Flexible Mechanisms, Dynamics and Analysis, 1992, vol. 47, pp. 305-310.

29. Arakelian V., Smith M.R. Design of planar 3-DOF 3-RRR reactionless parallel manipulators. Mechatronics, 2008, vol. 18(10), pp. 601-606.

Минимизация инерционных нагрузок плоских манипуляторов параллельной структуры посредством оптимального управления

Оглавление

Введение