novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.23-30novtexmech-1113Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSРазработка метода формирования программных сигналов для исполнительных электроприводов манипуляторов с избыточными степенями подвижности. Часть IDevelopment of the Method of Formation the Reference Signals for Electric Actuators of Manipulators with Redundant Degrees of Freedom. Part IФиларетовВ. Ф.FilaretovV. F.

д-р техн. наук, проф., зав. лаб.

Владивосток

Vladivostok, 690041

gubankov@iacp.dvo.ruГубанковА. С.GubankovA. S.

канд. техн. наук, доц.

Владивосток

Vladivostok, 690041

Vladivostok, 690091

gubankov@iacp.dvo.ruГорностаевИ. В.GornostaevI. V.

мл. науч. сотр.

Владивосток

Vladivostok, 690041

Vladivostok, 690091

gornostaev_iv@mail.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАНРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RASRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Институт проблем морских технологий ДВО РАНРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RAS; Institute of Marine Technology Problems FEB RASRussian Federation2022190120222312330Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1113

Статья посвящена вопросам сохранения динамической точности управления рабочими инструментами многостепенных манипуляторов (ММ) при их перемещениях по произвольным пространственным траекториям с учетом конструктивных ограничений во всех степенях подвижности и особых случаев расположения их звеньев. Сохранение точности управления предлагается обеспечивать за счет исключения выхода всех степеней подвижности манипуляторов на ограничения и в указанные особые положения, характеризуемые неоднозначностью в решении обратных задач кинематики ММ, а также исключения выхода их рабочих инструментов на границы рабочей области за счет использования избыточной степени подвижности при подходе к указанным нежелательным положениям.В первой части статьи рассмотрены особенности нового решения обратной задачи кинематики и описаны особые положения для шестистепенных манипуляторов с кинематическими схемами типа PUMA. Представленное решение обратной задачи кинематики учитывает различные комбинации обобщенных координат ММ, обеспечивающие перемещения их рабочих инструментов в заданные положения с требуемой пространственной ориентацией. Это решение имеет малую вычислительную сложность по сравнению с другими известными методами, что позволяет использовать для управления ММ маломощные микропроцессорные вычислители.Результаты выполненного математического моделирования подтвердили высокую эффективность использования предлагаемого подхода к контурному управлению ММ.

The solution of task of maintaining the dynamic accuracy of control of working tools of multilink manipulators (MM) when they move along arbitrary spatial trajectories is presented in this paper. In this case, constructive restrictions in all degrees of freedom (DoF) of manipulators and special cases of location of their links are taken into account. These special (singular) positions are characterized by ambiguity in solving inverse kinematics problem of these MM. Maintaining of control accuracy is proposed to be ensured by excluding the enter of all DoFs of manipulators to the restrictions, as well as excluding the enter of their working tools to the boundaries of the working area. This is accomplished by using a redundant DoF when approaching these undesirable positions. In the first part of the article, the features of the new solution of the inverse kinematics problem are considered and singular positions for 6-DoF manipulators with PUMA kinematic schemes are described. The presented solution of the inverse kinematics problem takes into account various combinations of genera- lized coordinates of the MM, which ensure the movement of their working tools to the specified positions with the required spatial orientation. This solution has low computational complexity compared to other known methods. This allows the use of low-power microprocessor computers to control the MM. The results of the performed mathematical simulation confirmed the high efficiency of using the proposed approach to the contour control of the MM.

многостепенной манипуляторизбыточная степень подвижностиограниченияособые положе- нияобратная задача кинематикидинамическая точность управленияmultilink manipulatorredundant degree of freedomrestrictionssingular positionsinverse kinematicsdynamic accuracyИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках грантов № 19-08-00347 и 20-08-00701.ReferencesФиларетов В. Ф., Зуев А. В., Губанков А. С. Разработка роботизированного комплекса для механической обработки нежестких пространственных композитных изделий вертолетов // Известия ВУЗов, Машиностроение, Специальный выпуск "Специальная робототехника и мехатроника". 2011. С. 67—75.Filaretov V. F., Zuev A. V., Gubankov A. S. The development of a robotics system for machining nonrigid spatial composite parts for helicopters, Izvestiya VUZov, Mashinostroenie, Specialnyj vypusk "Specialnaya robototekhnika i mekhatronika", 2011, pp. 67—75 (in Russian).Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Зуев А. В., Губанков А. С., Мурсалимов Э. Ш. Разработка метода совмещения трехмерных моделей обрабатываемых деталей с их CAD-моделями при наличии деформаций // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 3. С. 60—69.Filaretov V. F., Yukhimets D. A., Zuev A. V., Gubankov A. S., Mursalimov E. Sh. The method of development of combination of three-dimensional models of processed details with their CADmodels at the presence of deformations, Problemy mashinostroeniya i avtomatizacii, 2016, no. 3, pp. 60—69.Gubankov A., Gornostaev I. Development of method of forming signals for the actuators of manipulators with redundant degrees of mobility // Proceedings of Int. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. St. Petersburg, Russia. 2017. P. 1—4.Gubankov A., Gornostaev I. Development of method of forming signals for the actuators of manipulators with redundant degrees of mobility, Proceedings of Int. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, St. Petersburg, Russia, 2017, pp. 1—4.Yahya S., Moghavvemi M., Mohamed H. A. F. Redundant manipulators kinematics inversion // Scientific Research and Essays. 2011. Iss. 26, Vol. 6. P. 5462—5470.Yahya S., Moghavvemi M., Mohamed H. A. F. Redundant manipulators kinematics inversion, Scientific Research and Essays, 2011, iss. 26, vol. 6, pp. 5462—5470.Филаретов В. Ф., Губанков А. С., Горностаев И. В., Коноплин А. Ю. Разработка метода формирования программных сигналов управления манипуляторами, установленными на подводных аппаратах // Подводные исследования и робототехника. 2018. Т. 25, № 1. С. 30—37.Filaretov V. F., Gubankov A. S., Gornostaev I. V., Konoplin A. Yu. Development of formation method of program control signals of manipulators installed on underwater vehicles, Podvodnye issledovaniya i robototekhnika, 2018, vol. 25, no. 1, pp. 30—37 (in Russian).Filaretov V., Gubankov A., Gornostaev I., Konoplin A. Synthesis Method of Reference Control Signals for Manipulators Installed on Autonomous Underwater Vehicles // Proceedings of the Int. Russian Automation Conf., Sochi, Russia. 2019. P. 1—6.Filaretov V., Gubankov A., Gornostaev I., Konoplin A. Synthesis Method of Reference Control Signals for Manipulators Installed on Autonomous Underwater Vehicles, Proceedings of the Int. Russian Automation Conf., Sochi, Russia, 2019, pp. 1—6.Филаретов В. Ф., Алексеев Ю. К., Лебедев А. В. Системы управления подводными роботами. М.: Круглый год, 2001. 288 с.Filaretov V. F., Alekseev Yu. K., Lebedev A. V. Underwater robot control systems, Moscow, Kruglyj god, 2001, 288 p. (in Russian).Фу. К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989. 624 с.Fu. K., Gonzalez R., Lee K. Robotics: control, sensing, vision, and intelligence, Moscow, Mir, 1989, 624 p. (in Russian).Gong M., Li X., Zhang L. Analytical Inverse Kinematics and Self-Motion Application for 7-DOF Redundant Manipulator // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 18662—18674.Gong M., Li X., Zhang L. Analytical Inverse Kinematics and Self-Motion Application for 7-DOF Redundant Manipulator, IEEE Access, 2019, vol. 7, pp. 18662—18674.Lu Sh., Gu Y., Zhao J., Jiang L. An Iterative Calculation Method for Solve the Inverse Kinematics of a 7-DOF Robot with Link Offset // Lecture Notes in Computer Science. 2017. Vol. 29, N. 4. P. 729—739.Lu Sh., Gu Y., Zhao J., Jiang L. An Iterative Calculation Method for Solve the Inverse Kinematics of a 7-DOF Robot with Link Offset, Lecture Notes in Computer Science, 2017, vol. 29, no. 4, pp. 729—739.Wan J., Wu H. T., Ma R., Zhang L. A study on avoiding joint limits for inverse kinematics of redundant manipulators using improved clamping weighted least-norm method // Journal of Mechanical Science and Technology. Vol. 32, N. 3. 2018. P. 1367—1378.Wan J., Wu H. T., Ma R., Zhang L. A study on avoiding joint limits for inverse kinematics of redundant manipulators using improved clamping weighted least-norm method, Journal of Mechanical Science and Technology, 2018, vol. 32, no. 3, pp. 1367—1378.Toshani H., Farrokhi M. Real-time inverse kinematics of redundant manipulators using neural networks and quadratic programming: A Lyapunov-based approach, Robotics and Autonomous Systems. 2014. Vol. 62, N.6. P. 766—781.Toshani H., Farrokhi M. Real-time inverse kinematics of redundant manipulators using neural networks and quadratic programming: A Lyapunov-based approach, Robotics and Autonomous Systems, 2014, vol. 62, no. 6, pp. 766—781.Koker R. A neuro-simulated annealing approach to the inverse kinematics solution of redundant robotic manipulators // Engineering with Computers. 2013. P. 507—515.Koker R. A neuro-simulated annealing approach to the inverse kinematics solution of redundant robotic manipulators, Engineering with Computers, 2013, pp. 507—515.Koker R. A genetic algorithm approach to a neural-networkbased inverse kinematics solution of robotic manipulators based on error minimization // Information Sciences, 2012. Vol. 222. P. 528—543.Koker R. A genetic algorithm approach to a neuralnetwork-based inverse kinematics solution of robotic manipulators based on error minimization, Information Sciences, 2012, vol. 222, pp. 528—543.Крейг Д. Дж. Введение в робототехнику: механика и управление, М.-Ижевск.: Институт компьютерных исследований, 2013. 564 с.Craig J. J. Introduction to robotics: mechanics and control, Pearson Education International, 2005, 400 p.Борисов О. И., Громов В. С., Пыркин А. А. Методы управления робототехническими приложениями / Учеб. пособ., СПб.: Университет ИТМО, 2016. 108 с.Borisov O. I., Gromov V. S., Pyrkin A. A. Robotic application control techniques: study guide, St. Petersburg, ITMO University, 2016, 108 p. (in Russian).Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы, М.: Наука, 1978. 400 с.Popov E. P., Vereshchagin A. F., Zenkevich S. L. Manipulation robots: dynamics and algorithms, Moscow, Nauka, 1978, 400 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.