Универсальный L0-алгоритм структурного синтеза и анализа семейства новых платформенных манипуляторов параллельной структуры

Структурный синтез разнообразных многоконтурных и многозвенных механизмов параллельной структуры является одной из наиболее сложных задач как теории механизмов и машин, так и машиностроения для разных областей робототехники. Рассмотрен направленный структурный синтез и анализ на основе универсального L0-алгоритма. Приведены примеры его применения для создания механизмов относительного манипулирования для групповых операций, многоплатформенных манипуляторов, антипараллелограммных и параллелограммных манипуляторов-триподов без особых положений и с увеличенным до 12 числом управляемых степеней свободы. Общим свойством всего семейства созданных на уровне изобретений шарнирных платформенных манипуляторов является раздельная кинематика движений и отсутствие вредных избыточных связей во всех замкнутых контурах плоских и пространственных синтезированных механизмах, работоспособность и эффективность которых подтверждена как экспериментально, так и теоретически по новой универсальной структурной формуле подвижности.

Литература

[1] Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Москва, ЛЕНАНД, 2019. 500 с.

[2] Глазунов В.А., ред. Новые механизмы в современной робототехнике. Москва, Техносфера, 2018. 316 с.

[3] Мудров А.Г., Мудрова А.А., Сахапов Р.Л. Пространственные аппараты с мешалкой и смесители. Москва, Кнорус, 2021. 190 с.

[4] Марковец К.И., Полотебнов В.О. Синтез механизмов транспортирования материалов с прямолинейным участком траектории движения зубчатой рейки. Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности, 2018, т. 39, № 1, с. 117–121.

[5] Смелягин А.И., Приходько А.А. Структурный синтез сложного исполнительного механизма возвратно-вращательного перемешивающего устройства. Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2014, № 5–6, с. 85–88.

[6] Пожбелко В.И. Единая теория структуры, синтеза и анализа многозвенных механических систем с геометрическими, гибкими и динамическими связями звеньев. Часть 1. Базовые структурные уравнения и универсальные таблицы строения. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2020, № 9, с. 24–23, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2020-9-24-43

[7] Куц Е.Н. Структурный синтез многоконтурных рычажных механизмов с многократными шарнирами и наиболее сложным двухшарнирным звеном. Современное машиностроение. Наука и образование, 2019, № 8, с. 201–214.

[8] Pozhbelko V. Type synthesis method of planar and spherical mechanisms. In: IFToMM WC-2019. Springer, 2019, pp. 1517–1526, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_150

[9] Sun W. A joint-joint matrix representation of planar kinematic chains. Adv. Mech. Eng., 2018, vol. 10, no. 6, doi: https://doi.org/10.1177/1687814018778404

[10] Zou Y., He P., Pei Y. Automatic topological structural synthesis algorithm. Adv. Mech. Eng., 2016, vol. 8, no. 3, doi: https://doi.org/10.1177/1687814016638055

[11] Ding H.F., Hou F.M., Kecskemethy A. et al. Synthesis of the whole family of 1-DOF kinematic chains. Mech. Mach. Theory, 2012, vol. 47, pp. 1–15, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.08.011

[12] Chen L.M. Digital and discrete geometry. Springer, 2014. 322 p.

[13] Norton R.L. Design in machinery. McGraw Hill, 2011. 857 p.

[14] Muller A. Kinematic topology and constraints of multi-loop linkages. Robotica, 2018, vol. 36, no. 11, pp. 1641–1663, doi: https://doi.org/10.1017/S0263574718000619

[15] Talaba D. Mechanical models and the mobility of robots and mechanisms. Robotica, 2015, vol. 33, no. 1, pp. 181–193, doi: https://doi.org/10.1017/S0263574714000149

[16] Babichev D., Evgrafov A., Lebedev S. Lever mechanisms: the new approach to structural synthesis and kinematic analysis. In: IFToMM WC-2019. Springer, 2019, pp. 1030–1050, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_56

[17] Peisakh E.E. An algorithmic description of the structural synthesis of planar Assur group. J. Mach. Manuf. Reliab., 2007, vol. 36, no. 6, pp. 505–514, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618807060015

[18] Vicker J.J., Pennock G.R., Shingley J.E. Theory of mechanisms. Oxford University Press, 2017. 950 p.

[19] Ceccarelli M. Fundamentals of mechanisms of robotic manipulations. Springer, 2004. 312 p.

[20] Kong X., Gosselin C.M. Type synthesis of parallel mechanisms. Springer, 2007. 268 p.

[21] Gogu G. Structural synthesis of parallel robots. Part 1: Methodology. Springer, 2008. 706 p.

[22] Tsai L.W. Robot analysis. The mechanics of serial and parallel manipulators. Wiley, 1999. 520 p.

[23] Aefattani R., Luck C.A. A lamina-emergent frustum using a bistable collapsible compliant mechanism. J. Mech. Des., 2018, vol. 140, no. 12, art. 125001, doi: https://doi.org/10.1115/1.4037621

[24] Peisakh E.E. Technique of automated structural synthesis of planar jointed mechanisms. J. Mach. Manuf. Reliab., 2009, vol. 38, no. 1, pp. 62–70, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618809010129

[25] Ding H., Hou F., Kecskemethy A. et al. Synthesis of a complete set of contracted graphs for planar non-fractionated simple-jointed kinematic chains with all possible DOFs. Mech. Mach. Theory, 2011, vol. 46, no. 11, pp. 1588–1600, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.07.012

[26] Pozhbelko V. Advanced technique of type synthesis and construction of veritable complete atlases of F-DOF generalized kinematic chains. In: EunCoMes-2018. Springer, 2019, vol. 59, pp. 207–214, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-98020-1_24

[27] Pozhbelko V. A unified structure theory of multibody open-, closed-, and mixed-loop mechanical systems with simple and multiple joint kinematic chains. Mech. Mach. Theory, 2016, vol. 100, no. 6, pp. 1–16, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.01.001

[28] Кожевников С.Н. Основания структурного синтеза механизмов. Киев, Наукова Думка, 1979. 232 с.

[29] Умнов Н.В., Сильвестров Э.Е. Использование методов гомотопии при синтезе механизмов. Сб. док. межд. конф. по теории механизмов и машин. Краснодар, Кубанский ГТУ, 2006, с. 47–48.

[30] Тимофеев Г.А., ред. Теория механизмов и машин. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 566 с.

[31] Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. Москва, Машиностроение, 2000. 904 с.

[32] Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы. Москва, Машиностроение, 1991. 288 с.

[33] Несмеянов И.А. Структурный синтез самоустанавливающихся механизмов с параллельной кинематикой. Вестник Брянского ГТУ, 2019, № 4, с. 4–13, doi: https://doi.org/10.30987/article_5cb58f4ed2c444.85435034

[34] Пожбелко В.И. Универсальный алгоритм синтеза структурных схем сложных одноподвижных и многоподвижных рычажных механизмов. Современное машиностроение. Наука и образование, 2022, № 11, с. 91–100.

[35] Вышнеградский И.А. Публичные популярные лекции о машинах. О теории механизмов без формул. Москва, Либриком, 2015. 448 с.

[36] Пожбелко В.И. Платформенный механизм относительного манипулирования. Патент РФ 2758391. Заявл. 25.02.2021, опубл. 28.10.2021.

[37] Пожбелко В.И. Пространственный манипулятор. Патент РФ 2758377. Заявл. 24.02.2021, опубл. 28.10.2021.

[38] Пожбелко В.И. Пространственный параллелограммный механизм манипулятора. Патент РФ 2784764. Заявл. 07.04.2022, опубл. 29.11.2022.

[39] Пожбелко В.И. Сферический блочный V-манипулятор. Патент РФ 2730345. Заявл. 23.01.2020, опубл. 21.08.2020.

[40] Пожбелко В.И. Платформенный робот. Патент РФ 2751778. Заявл. 07.07.2020, опубл. 16.07.2021.

[41] Пожбелко В.И. Пространственный платформенный VIP-манипулятор. Патент РФ 2722165. Заявл. 19.11.2019, опубл. 27.05.2020.

[42] Пожбелко В.И. Универсальный метод структурного синтеза и построения полного атласа многоконтурных ортогональных структур самоустанавливающихся рычажных механизмов в машиностроении. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 3, с. 25–40, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-3-55-72

[43] Kolovsky M.Z., Evgrafov A.N., Semenov Yu.A. et al. Advanced theory of mechanisms and machines. Springer, 2000. 396 p.