novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.158-164novtexmech-1518Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSИсследование влияния конструкции меканум-колес и контактных сил на точность управления роботом-манипулятором KUKA youBotStudy of the Influence of the Mecanum-Wheel Design and Contact Forces on the Control Accuracy of Mobile Robot-Manipulator KUKA YouBotСайпулаевГ. Р.SaypulaevG. R.

ассистент

Москва

Moscow

saypulaevgr@mail.ruАдамовБ. И.AdamovB I.

канд. физ.-мат. наук, доц.

Москва

Cand. of Sc. in Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor

Moscow

adamoff.b@yandex.ruФГБОУ ВО "Национальный исследовательский университет "МЭИ"РоссияDepartment of Robotics, Mechatronics, Dynamics and Machine Strength National Research University "MPEI"Russian Federation202405032024253158164Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1518

Рассматривается динамика и управление роботом KUKA youBot, состоящим из меканум-платформы и закрепленного на ней пятиосевого манипулятора. Разработана математическая модель динамики мобильного робота-манипулятора с учетом конструкции меканум-колес, поликомпонентного контактного трения, динамики приводов робота и взаимного влияния платформы и манипулятора. Предложен закон управления движением робота, обеспечивающий точное перемещение робота в требуемое положение. По результатам численного моделирования подтверждена работоспособность предложенного управления. После окончания переходного процесса наблюдаются высокочастотные составляющие в зависимостях координат и угла курса платформы, а также углов, определяющих положение звеньев манипулятора. Для уменьшения амплитуды указанных высокочастотных колебаний необходимо более точно компенсировать действие гравитационных сил. Показано, что из-за взаимного влияния динамики манипулятора на платформу происходят перемещения платформы относительного исходного положения. По результатам моделирования показано влияние конструкции меканум-колес, поликомпонентного контактного трения и динамики приводов робота, а также взаимное влияние платформы и манипулятора на динамику робота KUKA youBot. Дальнейшие исследования предполагают более детальный анализ и синтез алгоритмов управления в рамках теорий оптимального или адаптивного управления.

The dynamics and control of the KUKA youBot robot, which consists of a mecanum-platform and a five-axis manipulator fixed on it, is considered. A mathematical model of the dynamics of a mobile robot-manipulator has been developed taking into account the design of the mecanum-wheels, multicomponent contact friction, dynamics of robot drives and the mutual influence of the platform and the manipulator. A robot motion control law is proposed that ensures precise movement of the robot to the required position. According to the results of numerical simulation, the operability of the proposed control is confirmed. At the same time, at the end of the transient process, there are high frequency oscillations in the coordinate of the platform geometric platform, the platform heading angle and the angles of the manipulator links. To reduce amplitude of these high frequency oscillations, it is necessary more accurately compensate for the action of gravitational forces. It is shown that due to the mutual influence of the dynamics of the manipulator on the platform, platform displacements occur relative to the initial position. Based on the simulation results, the influence of the design of the mecanum-wheels, multicomponent contact friction and dynamics robot drives, as well as the mutual influence of the platform and the manipulator on the dynamics of the KUKA youBot robot, is shown. Further research involves a more detailed analysis and synthesis of control algorithms within the framework of theories of optimal or adaptive control.

меканум-колесоробот-манипуляторнеголономная динамикауправлениетрение скольжения и верчениядинамика приводаmecanum-wheelrobot-manipulatordynamicscontrolcontact frictionslidingspinningtwistingИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-21-00831, https://rscf.ru/project/22-21-00831/This work is supported by the Russian Science Foundation under grant, project no. 22-21-00831 (https://rscf.ru/project/22-21-00831/).ReferencesAdamov B. I., Saypulaev G. R. Research on the Dynamics of an Omnidirectional Platform Taking into Account Real Design of Mecanum Wheels (as Exemplified by KUKA youBot) // Rus. J. Nonlin. Dyn. 2020. Vol. 16, N. 2. P. 291—307.Adamov B. I., Saypulaev G. R. Research on the Dynamics of an Omnidirectional Platform Taking into Account Real Design of Mecanum Wheels (as Exemplified by KUKA youBot), Rus. J. Nonlin. Dyn, 2020, vol. 16, no. 2, pp. 291—307.Adamov B. I., Saypulaev G. R. A Study of the Dynamics of an Omnidirectional Platform, Taking into Account the Design of Mecanum Wheels and Multicomponent Contact Friction // 2020 International Conference Nonlinearity, Information and Robotics (NIR). 2020. P. 1—6.Adamov B. I., Saypulaev G. R. A Study of the Dynamics of an Omnidirectional Platform, Taking into Account the Design of Mecanum Wheels and Multicomponent Contact Friction, 2020 International Conference Nonlinearity, Information and Robotics (NIR), 2020, pp. 1—6.Saipulaev G. R., Adamov B. I., Kobrin A. I. A Dynamicly Consistent Model of Normal Reactions at Points of a Mobile Platform Contact with a Surface Taking Account of the Design of Mecanum Wheels and Multicomponent Friction // Mechanics of Solids. 2023. Vol. 58, N. 5. P. 1447—1457.Saipulaev G. R., Adamov B. I., Kobrin A. I. A Dynamicly Consistent Model of Normal Reactions at Points of a Mobile Platform Contact with a Surface Taking Account of the Design of Mecanum Wheels and Multicomponent Friction, Mechanics of Solids, 2023, vol. 58, no. 5, pp. 1447—1457.Keiser B. Torque Control of KUKA youBot Arm. Master Thesis, Zurich, University of Zurich, 2013. 37 p.Keiser B. Torque Control of KUKA youBot Arm. Master Thesis, Zurich, University of Zurich, 2013, 37 p.Di Napoli G., Filippeschi A., Tanzini M., Avizzano C. A. A Novel Control Strategy for youBot Arm // IECON 2016 — 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2016. P. 482—487.Di Napoli G., Filippeschi A., Tanzini M., Avizzano C. A. A Novel Control Strategy for youBot Arm, IECON 2016 — 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2016, pp. 482—487.Abhishek V., Saha S. K. Dynamic Identification and Model Based Control of an Omni-wheeled Mobile Robot // 2016 4th International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM). 2016. P. 595—600.Abhishek V., Saha S. K. Dynamic Identification and Model Based Control of an Omni-wheeled Mobile Robot, 2016 4th International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM), 2016, pp. 595—600.Андронов В. В., Журавлев В. Ф. Сухое трение в задачах механики. М.-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", Институт компьютерных исследований, 2010. 184 с.Andronov V. V., Zhuravlev V. P. Dry Friction in Problems of Mechanics. Moscow—Izhevsk, R&C Dynamics, Institut kompyuternykh issledovaniy, 2010, 184 p. (in Russian)Zhuravlev V. P., Klimov D. M. Global Motion of the Celt // Mechanics of Solids. 2008. Vol. 43, N. 3. P. 320—327.Zhuravlev V. P., Klimov D. M. Global Motion of the Celt, Mechanics of Solids, 2008, vol. 43, no. 3, pp. 320—327.Капустина О. М. Манипулятивность робота KUKA youBot и планирование его движений // Экстремальная робототехника. 2018. Т. 1, № 1. C. 286—301.Kapustina O. M. Manipulability and motion planning of robot KUKA youBot, Extreme Robotics, 2018, vol. 1, no. 1, pp. 286—301 (in Russian).Martynenko Yu. G. Motion Control of Mobile Wheeled Robots // Journal of Mathematical Sciences. 2007. Vol. 147, N. 2. P. 6569—6606.Martynenko Yu. G. Motion Control of Mobile Wheeled Robots, Journal of Mathematical Sciences, 2007, vol. 147, no. 2, pp. 6569—6606.Kelly R., Santibanez V., Loria A. Control of Robot Manipulators in Joint Space. Germany: Springer, 2005. 426 p.Kelly R., Santibanez V., Loria A. Control of Robot Manipulators in Joint Space, Germany, Springer, 2005, 426 p.Li S., Liang X., Xu W. Modeling DC Motor Drive Systems in Power System Dynamic Studies // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51, N. 1. P. 658—668.Li S., Liang X., Xu W. Modeling DC Motor Drive Systems in Power System Dynamic Studies, IEEE Transactions on Industry Applications, 2015, vol. 51, no 1, pp. 658—668.Mehta S., Chiasson J. Nonlinear Control of a Series DC Motor: Theory and Experiment // IEEE Transactions on Industry Applications. 1998. Vol. 45, N. 1. P. 134—141.Mehta S., Chiasson J. Nonlinear Control of a Series DC Motor: Theory and Experiment, IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, vol. 45, no. 1, pp. 134—141.Karapetian A. V. On Realizing Nonholonomic Constraints by Viscous Friction Forces and Celtic Stones Stability // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 1981. Vol. 45, N. 1. P. 30—36.Karapetian A. V. On Realizing Nonholonomic Constraints by Viscous Friction Forces and Celtic Stones Stability, Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 1981, vol. 45, no. 1, pp. 30—36.Gerasimov K. V., Zobova A. A., Kosenko I. I. Omnivehicle Dynamical Models Mutual Matching for Different Roller-Floor Contact Models // Multibody Dynamics. Computational Methods in Applied Sciences. 2018. Vol. 53. P. 511—517.Gerasimov K. V., Zobova A. A., Kosenko I. I. Omnivehicle Dynamical Models Mutual Matching for Different RollerFloor Contact Models, Multibody Dynamics. Computational Methods in Applied Sciences, 2018, vol. 53, pp. 511—517.

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