CC BY
13УДК 004.8:378.4
М.Д. Солодовник, М.Н. Кузнецова, Д.А. Кудренко
Луганский национальный университет им. Владимира Даля Луганск, 91034 e-mail: tm.univer@yandex.ru
ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ В НАЧАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ РОБОТОТЕХНИКИ
Наука о взаимодействии человека с искусственной окружающей средой имеет различные названия: инженерная психология, учет человеческих факторов в технике, биомеханика, эргономика и т. д. Статья освещает первоначальные этапы создания реальных манипуляторов, выполняющих производственные операции в одной плоскости (механизмы с двумя степенями свободы).
Ключевые слова: манипуляторы, робототехника, аналитическая модель, возможности манипулятора, энергетические параметры, искусственный интеллект.
M. D. Solodovnik, M.N. Kuznetsova, D.A. Kudrenko
Lugansk National University named after Vladimir Dalh, Lugansk, 91034 e-mail: tm.univer@yandex.ru
ABOUT ONE APPROACH TO THE INITIAL SPECIALISTS TRAINING IN THE FIELD OF ROBOTICS
The science of human interaction with the artificial environment has different names: engineering psychology, human factors in technology, biomechanics, ergonomics, etc. The initial stages of creating real manipulators that perform production operations in one plane (mechanisms with two degrees of freedom) are presented in the article.
Key words: manipulators, robotics, analytical model, capabilities of the manipulator, energy parameters, artificial intelligence.
Внедрение манипуляторов, роботов и их комплексов в машиностроении приняло всеобщий характер благодаря своей эффективности в обеспечении жизнедеятельности персонала, особенно при выполнении таких операций, как работы в агрессивных средах и т. п. Учебными планами соответствующих специальностей предусматривается не только знакомство с устройствами, но и умение составлять математические модели при определении кинематических и динамических характеристик.
Целью работы является ознакомление с автоматизацией производства с применением простейших роботов и манипуляторов. С использованием накопленного опыта ставится задача конструктивной модернизации существующих устройств и аналитического обновления кинематических и энергетических параметров манипуляторов, осуществляющих рабочие процессы на плоских поверхностях.
Начиная со второго курса, когда студенты освоили основные разделы высшей математики, теоретической механики и аналитической динамики [1, 2], учебными планами соответствующих специальностей предусматривается знакомство с простейшими манипуляторами и их кинематическими характеристиками.
В качестве примера в статье рассматривается манипулятор (рис. 1), в котором:
- жесткий угольник AB массой m2 может поступательно перемещаться вдоль оси Y (s -переменная величина, зависящая от времени t);
- шарнирно соединенный с ним стержень AD, массой m1 и моментом инерции j1 относительно центра масс (x1, y1) совершает плоское движение, угол поворота ф(0 которого ограничен выступами K и L;
- захват D должен двигаться по заданной программой траектории (в производственных условиях осуществлять установку деталей, производить контактную сварку, производить покраску в агрессивной среде и т. п.).
Международная научно-техническая конференция
Одним из методов решения задачи для рассматриваемого манипулятора с двумя степенями свободы [1] является применение системы уравнений Лагранжа 2-го рода, которую представим в виде:
(1)
d oT > dT
dt v dS у ~~dS
d f dT Л dT
dt 1дфу 5ф
1 следует, что
Г x1 = l (1 + sin ф) [y1 = S -1 cos ф
Тогда V2 = x2 + y2 - квадрат скорости центра масс звена AD , а
Г X1 = l cos ф-ф [y1 = S +l sin ф - ф соответственно
V,2 = S2 +12 ф2 + 2А*>ф sin ф. (4)
Пусть T - кинетическая энергия системы, S, S, ф, ф - обобщенные координаты и обобщенные скорости. Тогда выражение для кинетической энергии примет вид
(2)
(3)
t=\тг S2 +V2 +17,ф2.
(5)
Подставляя (5) в (1) и производя преобразования, приходим к системе дифференциальных уравнений второго порядка, правые части которых и дадут выражения для определения энергетических характеристик манипулятора Р(г) и М (г) :
I P(t) = (m + m2 )S + тДф2 cos ф + фsin ф) [M(t) = m1/(/ф + Ssin ф + Sфcos ф) + j ф
Для выполнения программы захватом D необходимо наложить на его движение соответствующие ограничения. Например, если захват описывает эллипс (рис. 2) с центром на оси X в точке x0 и полуосями 1, 3, уравнение связи имеет вид:
(6)
(XD X0) 1
yD = i =1
(7)
(8)
где xD и yD определяются по формулам аналогичным (2), т. е.:
Г xD = l (1 + 2 sin ф) [ yD = S - 2l cos ф
Подставляя эти выражения в (7), получим связь между S и ф:
S = 2l cos ф + ЗдД - [l(1 + 2 sin ф) - x0]2 .
У > N Í А
W
Рис. 2. Одна из возможных плоских кривых
(9)
Дальнейшая процедура определения Р(г) и М(г) совпадает с подходом в примерах, предусмотренных учебной программой для 3-го семестра [1, 2].
Вывод. Предложенный пример позволяет студентам первого, а затем и на старших курсов проводить более сложные исследования уже для роботов с большим числом степеней свободы [3, 4] по линии НИРС. Более того, совершенствование программного обеспечения для механиче-
ских роботов дает предпосылки ускоренному развитию молекулярной электроники как базиса при создании робототехнических комплексов с элементами искусственного интеллекта [5, 6].
Литература
1. Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике / А.А. Яблонскиий и др. - 4-е изд. - М.: Высш. шк., 1985. - 367 с.
2. Уиттекер Е.Т. Аналитическая динамика. - М.: ОНТИ, 1957. - 387 с.
3. ЕрмиловЮ. Управление сближением космических аппаратов. - М.: Наука,1997.
4. Апальков А. Концепция интеллектуального робота для оценки напряжений в трубопроводах // Искусственный интеллект. - 2009. - № 3 - С. 285-292.
5. Ульшин В.А. К десятилетию кафедры системной инженерии // Вюник СНУ 1м. В. Даля. - 2009. - № 1(131). - С. 193-209.
6. Агринская Н. Молекулярная электроника. - СПбГПУ, 2004. - 110 с.
