Введение к работе
Актуальность темы. Перспективным направлением исследований является разработка прецизионных установок, использующих механизмы с параллельной кинематической структурой, которые позволяют проводить высокоточные операции (В.Л. Афонин, А.Ф. Крайнев, В.Е. Ковалев и др.). Механизмы параллельной кинематики — устройства, исполнительное звено которых соединяется с основанием с использованием нескольких независимых кинематических цепей, обладают рядом преимуществ перед устройствами с последовательной компоновкой. Исследователи механизмов параллельной кинематики отмечают недостаток в эмуляторах и автоматизированных системах для научных исследований (АСНИ), с помощью которых можно было бы проводить полноценное исследование и определение теоретических возможностей проектируемых параллельных механизмов (J.P. Merlet, X. Kong, C. Gosselin, и др.). Отмечается, что автоматизация проведения экспериментов, создание сред моделирования и автоматической обработки данных может существенно повысить эффективность исследований и снизить количество ошибок, допускаемых на ранних стадиях разработки систем (Е.Е. Журавлев, В.М. Глушков, В.П. Мельников и др.). И так как научные исследования и разработка АСНИ — это итеративный процесс, целью которого является автоматизация систем развития науки и техники (В.М. Глушков), а в последнее время проводится большое количество исследований и разработок устройств, на основе механизмов параллельной кинематики (П.О. Данилин, Л.А. Рыбак, Е.В. Гапоненко, Ю.А. Мамаев, J.P. Merlet и др.), то тема исследования и разработки АСНИ параллельных механизмов является весьма актуальной и своевременной.
Объектом исследования является АСНИ механизмов параллельной кинематической структуры.
Предметом исследования является структура, математическое и программное обеспечение АСНИ механизмов параллельной кинематики на примере прецизионных триподов.
Целью диссертации является разработка структуры, математического и программного обеспечения автоматизированного программно-аппаратного комплекса для исследования многокоординатных нелинейных механизмов параллельной кинематики.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
анализ результатов, полученных по основным направлениям исследований в области применения робототехнических систем и механизмов параллельной структуры, с целью выявления особенностей и принципов построения математических моделей;
анализ и разработка структурной и кинематической моделей, необходимых ограничений модели устройства; синтез и исследование алгоритмов анализа рабочей области, управления движением;
разработка структуры АСНИ, обеспечивающей полноту методов исследования;
разработка архитектуры и программного кода системы, с учетом особенностей управления прецизионным устройством в режиме реального времени;
Методы исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, теории механизмов и машин, аналитической геометрии и дискретного анализа, имитационного моделирования, проектирования программных систем.
В работе получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
разработана структурная схема, программное обеспечение и методы применения АСНИ прецизионных механизмов параллельной кинематики, позволяющие более эффективно: автоматизировать процесс исследования, изучать устройства нестандартной конфигурации, оценивать показатели качества алгоритмов управления, проводить эксперименты с реальными устройствами;
разработан более эффективный, с точки зрения вычислительной сложности, алгоритм расчета оптимальных скоростей двигателей прецизионных механизмов параллельной кинематической структуры, при прохождении заданной траектории, на основе принципа оптимальности Беллмана и методов динамического программирования — алгоритм связного оптимального управления двигателями механизмов параллельной кинематической структуры;
разработан алгоритм построения траекторий движения прецизионных механизмов параллельной кинематики на основе методов алгоритма Виттерби, с возможностями обхода особых положений системы, оптимизации траектории по длине пути и точности позиционирования, и при этом применимый к работе в высоко-дискретном пространстве состояний.
Достоверность результатов и выводов работы обусловлена строгостью математических выкладок, применением только общепринятых допущений, проверкой результатов на основе компьютерного моделирования различных типов механизмов параллельной кинематики и исследованиями макета экспериментальной установки, а также тестами разработанной системы. Практическая значимость.
Разработанная АСНИ может быть использована для построения систем управления прецизионными механизмами с параллельной кинематической структурой, может применяться для исследования параметров, оценки рабочих характеристик на раннем этапе разработки, верификации систем и алгоритмов управления проектируемых механизмов, решения задач терминального и траекторного управления, слежения и стабилизации.
Практическая значимость работы подтверждается поддержкой правительства Санкт-Петербурга в виде присуждения победы проекту в конкурсе грантов для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2010 г., что удостоверяет диплом ПСП № 10123.
Внедрение результатов работы. Разработанная система применяется в НИУ ИТМО на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии при разработке проектов: по созданию системы нейронавигации для стереотаксических операций совместно с институтом мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН; прибора дистракции трубчатых костей совместно с НИДОИ им. Г.И. Турнера; для исследования разрабатываемого на кафедре прецизионного пяти-координатного механизма с параллельной кинематической структурой. Система внедрена в учебный процесс на кафедрах измерительных технологий и компьютерной томографии, компьютерных образовательных технологий. Установка внедрена и используется в «ООО Научно- производственное предприятие Мехатронные Прецизионные Механизмы» (ООО «НПП МПМ»).
Апробация работы . Основные результаты диссертации обсуждались на двенадцати международных и всероссийских конференциях и семинарах:
-
-
Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПб-ГУ ИТМО (2010 г., Санкт-Петербург); XL научная и учебно-методическая конференция национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (2011 г., Санкт-Петербург);
-
Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПб-ГУ ИТМО (2011 г., Санкт-Петербург); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011» (2011 г., Одесса); XVIII Всероссийская научно-методическая конференция Телематика'2011 (2011 г., Санкт- Петербург); Десятая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» посвященная памяти В.П. Булатова (2011 г., Санкт-Петербург); Единая образовательная информационная среда: направления и перспективы развития (2011 г., Томск); XIV Конференция молодых ученых «навигация и управление движением» (2012 г., Санкт-Петербург); I Всероссийский конгресс молодых ученых (2012 г., Санкт-Петербург); XLI научно-методическая конференция НИУ ИТМО с участием молодых ученых (2012 г., Санкт-Петербург); Информационная среда вуза XXI века (2012 г., Куопио, Финляндия); Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012 (2012 г., Одесса).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в тринадцати печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых научных журналах [1, 2], рекомендованных ВАК РФ для представления основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка трех публикаций проводилась совместно с соавторами, при этом вклад автора был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 125 страниц. Библиография включает 115 наименований.
Похожие диссертации на Разработка автоматизированного программно-аппаратного комплекса для исследования многокоординатных нелинейных механизмов на примере прецизионных триподов
-
