Разработка и исследование робототехнических систем относительного манипулирования на базе механизмов параллельной структуры

В последние десятилетия в области робототехники были достигнуты значительные успехи в части разработки эффективных и точных манипуляционных устройств и роботов, что привело к их повсеместному внедрению в различных областях. В настоящее время роботизированные комплексы применяются в машиностроении, медицинской и космической технике, в составе различных технологических машин и т.д. Решение множества производственных задач, таких как, например, механическая обработка деталей сложной формы или автоматизированная сварка кузова автомобиля на конвейере, требует наличия у робота сочетания вращательных и поступательных степеней свободы. При этом зачастую также предъявляются повышенные требования к таким характеристикам, как размеры рабочей зоны, допустимые предельные перемещения рабочего органа, удобство и безопасность взаимодействия с рабочими, возможность гибкой настройки и быстрой переналадки и адаптации к изменяющимся требованиям технологического процесса и т.д. Выполнение данных требований за счет одного отдельно взятого манипулятора зачастую невозможно либо нецелесообразно, поэтому в подобных случаях находят свое применение роботизированные системы относительного манипулирования, в которых различные степени свободы реализуются за счет относительного движения двух и более отдельных манипуляционных механизмов (модулей). Анализ научных публикаций и практических применений систем относительного манипулирования показывает, что в подавляющем большинстве случаев данные системы реализуются с использованием манипуляторов последовательной структуры. В то же время в подобных системах практически не применяются манипуляторы параллельной структуры, при том такие манипуляторы обладают лучшими по сравнению с последовательными манипуляторами показателями скорости, грузоподъемности, жесткости и точности позиционирования. Это может быть объяснено тем, что для систем, использующих манипуляторы параллельной структуры, научные изыскания, как правило, ограничиваются конкретными примерами устройств, а общие методы их синтеза, анализа кинематики, динамики, рабочей зоны и особых положений не разработаны. С учетом указанных преимуществ манипуляторов параллельной структуры и высокого потенциала их применения в устройствах относительного манипулирования, разработка общих методов синтеза, анализа и проектирования подобных устройств представляется весьма актуальной для развития отечественной промышленной робототехники в условиях импортозамещения. Научная новизна предлагаемого исследования определяется новыми приемами и алгоритмами проектирования и конструирования рассматриваемых систем, базирующимися на структурном и параметрическом синтезе отдельных модулей, анализе их функциональных характеристик и взаимного влияния в условиях совместной работы, а также разработкой ранее неизвестных структурных схем и компоновок указанных систем. Для решения задач анализа кинематики, динамики, рабочей зоны и особых положений будет проведена адаптация существующих аналитических и численных методов расчета с целью расширения области их применимости на системы относительного манипулирования, на основе чего будут сформулированы новые расчетные методики. При этом будут получены новые результаты теоретических исследований по определению кинематических, статических и динамических характеристик изучаемых систем, а также влияния структуры отдельных кинематических цепей и их геометрических параметров (формы, размеров и расположения звеньев и шарниров) на указанные характеристики. В результате будут сформулированы методы оценки характеристик новых механизмов в зависимости от их функционального назначения, применимые для использования при проведении опытно-конструкторских работ. Это в свою очередь позволит создать обобщенную методику проектирования систем относительного манипулирования, использующих механизмы параллельной структуры, на основе теоретического анализа их характеристик и результатов экспериментальных исследований.