Исследование влияния конструкции меканум-колес и контактных сил на точность управления роботом-манипулятором KUKA youBot

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.

1. 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, N. 2. P. 291—307.

2. 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.

3. 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.

4. Keiser B. Torque Control of KUKA youBot Arm. Master Thesis, Zurich, University of Zurich, 2013. 37 p.

5. 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.

6. 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.

7. Андронов В. В., Журавлев В. Ф. Сухое трение в задачах механики. М.-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", Институт компьютерных исследований, 2010. 184 с.

8. Zhuravlev V. P., Klimov D. M. Global Motion of the Celt // Mechanics of Solids. 2008. Vol. 43, N. 3. P. 320—327.

9. Капустина О. М. Манипулятивность робота KUKA youBot и планирование его движений // Экстремальная робототехника. 2018. Т. 1, № 1. C. 286—301.

10. Martynenko Yu. G. Motion Control of Mobile Wheeled Robots // Journal of Mathematical Sciences. 2007. Vol. 147, N. 2. P. 6569—6606.

11. Kelly R., Santibanez V., Loria A. Control of Robot Manipulators in Joint Space. Germany: Springer, 2005. 426 p.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.