Конструювання механізмів маніпуляторів мобільних роботів з паралельними кінематичними структурами на основі функціонально-орієнтованої елементної бази

To create effective mobile robot manipulators, a function-oriented element base is proposed. Element base selection is based on the analysis of schematics of mobile robot manipulators. It is substantiated that the effective schematics of manipulators are parallel link mechanisms. A rational structural scheme was adopted as a mechanism having six rods of variable length (hexapod). The schemes of mobile robot manipulators with different numbers and types of combined rod supports are considered. It is proved that the same type of element base in the form of spherical hinges can be used to implement a variety of schemes. Different embodiments of schematics of manipulators designed on the proposed function-oriented element base are considered. The basic requirements for the element base of mobile robot manipulators are defined. It is shown that the requirements are provided by the function-oriented element base on the basis of different hydrostatic or aerostatic hinges.A series of variants of schematics and design solutions of regulated spherical hydrostatic and aerostatic hinges are proposed. The hydrostatic spherical hinge, which includes an accurate ceramic (boron carbide) ball has high precision characteristics. Technological approbation of this schematic is conducted by manufacturing a production prototype.The regulated hydrostatic hinge is equipped with a mechatronic system for determining the spatial position of the sphere. This design solution allows you to adjust the position of the hinge sphere within the diametric clearance.The combined aerostatic-hydrostatic support unit aggregated with manipulator drives is proposed. The unit has a jet system for adjusting the support reactions of the aerostatic-hydrostatic supports of the spherical hinge. Technological testing of the developed device is carried out.In order to increase the efficiency of the proposed element base, special algorithms for controlling the position of the spherical manipulator hinges are developed. The algorithms are based on the mathematical modeling of dynamic processes in hinge devices. The algorithms include the implementation of spatial polyharmonic displacements of the sphere with the purposeful selection of the direction of the resulting displacements, which provides the necessary accuracy and speed of the process of adjusting the position of the manipulator.Для создания эффективных манипуляторов мобильных роботов предложена функционально-ориентированная элементная база. Выбор элементной базы осуществлен на основе анализа схемных решений манипуляторов мобильных роботов. Обосновано, что эффективными схемными решениями манипуляторов механизмы с параллельными кинематическими связями. Рациональной конструктивной схемой принято механизм, имеющий шесть штанг переменной длины (гексапод). Рассмотрены схемы манипуляторов мобильных роботов с различным числом и видом совмещенных опор штанг. Доказано, что для реализации различных схем может быть применена однотипная элементная база в виде сферических шарниров. Рассмотрены различные варианты реализации схемных решений манипуляторов, построенных по предложенной функционально-ориентированной элементной базе. Сформулированы основные требования к элементной базе манипуляторов мобильных роботов. Показано, что предъявляемые требования обеспечивает функционально-ориентированная элементная база на основе гидростатических или аеростатичних шарниров различного вида.Предложен ряд вариантов схемных и конструктивных решений регулируемых сферических гидростатических и аеростатичних шарниров. Высокими точностными характеристиками отличается гидростатический сферический шарнир, который включает точный шар из керамики (карбид бора). Проведена технологическая апробация данного схемного решения путем изготовления экспериментального образца.Разработанный регулируемый гидростатический шарнир оснащен мехатронной системой установки пространственного положения сферы. Данное конструктивное решение позволяет регулировать положение сферы шарнира в пределах диаметрального зазора.Предложен комбинированный аеростатическо-гидростатический опорный узел агрегатированный с приводами манипулятор. Узел содержит струйную систему регулирования опорных реакций аеростатическо-гидростатических опор сферического шарнира. Проведена технологическая апробация разработанного устройства.Для повышения эффективности предложенной элементной базы разработаны специальные алгоритмы системы управления положением сферических шарниров манипуляторов. Алгоритмы разработаны на основе математического моделирования динамических процессов в шарнирных устройствах. Алгоритмы включают реализацию пространственных полигармонических перемещений сферы с целенаправленным выбором направления результирующих перемещений, обеспечивает необходимую точность и быстродействие процесса регулирования положения шарниров манипулятораДля створення ефективних маніпуляторів мобільних роботів запропонована функціонально-орієнтована елементна база. Вибір елементної бази здійснено на основі аналізу схемних рішень маніпуляторів мобільних роботів. Обгрунтовано, що ефективними схемними рішеннями маніпуляторів є механізми з паралельними кінематичними зв’язками. Раціональною конструктивною схемою прийнято механізм, що має шість штанг змінної довжини (гексапод). Розглянуті схеми маніпуляторів мобільних роботів із різним числом і видом суміщених опор штанг. Доведено, що для реалізації різноманітних схем може бути застосована однотипна елементна база у вигляді сферичних шарнірів. Розглянуті різні варіанти реалізації схемних рішень маніпуляторів, побудованих на запропонованій функціонально-орієнтованій елементній базі. Сформульовані основні вимоги до елементної бази маніпуляторів мобільних роботів. Показано, що задоволення поставленим вимогам забезпечує функціонально-орієнтована елементна база на основі гідростатичних або аеростатичних шарнірів різного виду.Запропоновано ряд варіантів схемних і конструктивних рішень регульованих сферичних гідростатичних та аеростатичних шарнірів. Високими точністними характеристиками відрізняється гідростатичний сферичний шарнір, що включає точну кулю із кераміки (карбід бора). Проведена технологічна апробація даного схемного рішення шляхом виготовлення експериментального зразка.Розроблено регульований гідростатичний шарнір, оснащений мехатронною системою встановлення просторового положення сфери. Дане конструктивне рішення дозволяє регулювати положення сфери шарніра в межах діаметрального зазору.Запропоновано комбінований аеростатично-гідростатичний опорний вузол агрегатований з приводами маніпулятора. Вузол має струменеву систему регулювання опорних реакцій аеростатично-гідростатичних опор сферичного шарніра. Проведена технологічна апробація розробленого пристрою.Для підвищення ефективності запропонованої елементної бази розроблено спеціальні алгоритми системи керування положенням сферичних шарнірів маніпуляторів. Алгоритми розроблені на основі математичного моделювання динамічних процесів у шарнірних пристроях. Алгоритми включають реалізацію просторових полігармонічних переміщень сфери із цілеспрямованим вибором напрямку результуючих переміщень, що забезпечує необхідну точність та швидкодію процесу регулювання положення шарнірів маніпулятор

Конструювання механізмів маніпуляторів мобільних роботів з паралельними кінематичними структурами на основі функціонально-орієнтованої елементної бази

To create effective mobile robot manipulators, a function-oriented element base is proposed. Element base selection is based on the analysis of schematics of mobile robot manipulators. It is substantiated that the effective schematics of manipulators are parallel link mechanisms. A rational structural scheme was adopted as a mechanism having six rods of variable length (hexapod). The schemes of mobile robot manipulators with different numbers and types of combined rod supports are considered. It is proved that the same type of element base in the form of spherical hinges can be used to implement a variety of schemes. Different embodiments of schematics of manipulators designed on the proposed function-oriented element base are considered. The basic requirements for the element base of mobile robot manipulators are defined. It is shown that the requirements are provided by the function-oriented element base on the basis of different hydrostatic or aerostatic hinges.A series of variants of schematics and design solutions of regulated spherical hydrostatic and aerostatic hinges are proposed. The hydrostatic spherical hinge, which includes an accurate ceramic (boron carbide) ball has high precision characteristics. Technological approbation of this schematic is conducted by manufacturing a production prototype.The regulated hydrostatic hinge is equipped with a mechatronic system for determining the spatial position of the sphere. This design solution allows you to adjust the position of the hinge sphere within the diametric clearance.The combined aerostatic-hydrostatic support unit aggregated with manipulator drives is proposed. The unit has a jet system for adjusting the support reactions of the aerostatic-hydrostatic supports of the spherical hinge. Technological testing of the developed device is carried out.In order to increase the efficiency of the proposed element base, special algorithms for controlling the position of the spherical manipulator hinges are developed. The algorithms are based on the mathematical modeling of dynamic processes in hinge devices. The algorithms include the implementation of spatial polyharmonic displacements of the sphere with the purposeful selection of the direction of the resulting displacements, which provides the necessary accuracy and speed of the process of adjusting the position of the manipulator.Для создания эффективных манипуляторов мобильных роботов предложена функционально-ориентированная элементная база. Выбор элементной базы осуществлен на основе анализа схемных решений манипуляторов мобильных роботов. Обосновано, что эффективными схемными решениями манипуляторов механизмы с параллельными кинематическими связями. Рациональной конструктивной схемой принято механизм, имеющий шесть штанг переменной длины (гексапод). Рассмотрены схемы манипуляторов мобильных роботов с различным числом и видом совмещенных опор штанг. Доказано, что для реализации различных схем может быть применена однотипная элементная база в виде сферических шарниров. Рассмотрены различные варианты реализации схемных решений манипуляторов, построенных по предложенной функционально-ориентированной элементной базе. Сформулированы основные требования к элементной базе манипуляторов мобильных роботов. Показано, что предъявляемые требования обеспечивает функционально-ориентированная элементная база на основе гидростатических или аеростатичних шарниров различного вида.Предложен ряд вариантов схемных и конструктивных решений регулируемых сферических гидростатических и аеростатичних шарниров. Высокими точностными характеристиками отличается гидростатический сферический шарнир, который включает точный шар из керамики (карбид бора). Проведена технологическая апробация данного схемного решения путем изготовления экспериментального образца.Разработанный регулируемый гидростатический шарнир оснащен мехатронной системой установки пространственного положения сферы. Данное конструктивное решение позволяет регулировать положение сферы шарнира в пределах диаметрального зазора.Предложен комбинированный аеростатическо-гидростатический опорный узел агрегатированный с приводами манипулятор. Узел содержит струйную систему регулирования опорных реакций аеростатическо-гидростатических опор сферического шарнира. Проведена технологическая апробация разработанного устройства.Для повышения эффективности предложенной элементной базы разработаны специальные алгоритмы системы управления положением сферических шарниров манипуляторов. Алгоритмы разработаны на основе математического моделирования динамических процессов в шарнирных устройствах. Алгоритмы включают реализацию пространственных полигармонических перемещений сферы с целенаправленным выбором направления результирующих перемещений, обеспечивает необходимую точность и быстродействие процесса регулирования положения шарниров манипулятораДля створення ефективних маніпуляторів мобільних роботів запропонована функціонально-орієнтована елементна база. Вибір елементної бази здійснено на основі аналізу схемних рішень маніпуляторів мобільних роботів. Обгрунтовано, що ефективними схемними рішеннями маніпуляторів є механізми з паралельними кінематичними зв’язками. Раціональною конструктивною схемою прийнято механізм, що має шість штанг змінної довжини (гексапод). Розглянуті схеми маніпуляторів мобільних роботів із різним числом і видом суміщених опор штанг. Доведено, що для реалізації різноманітних схем може бути застосована однотипна елементна база у вигляді сферичних шарнірів. Розглянуті різні варіанти реалізації схемних рішень маніпуляторів, побудованих на запропонованій функціонально-орієнтованій елементній базі. Сформульовані основні вимоги до елементної бази маніпуляторів мобільних роботів. Показано, що задоволення поставленим вимогам забезпечує функціонально-орієнтована елементна база на основі гідростатичних або аеростатичних шарнірів різного виду.Запропоновано ряд варіантів схемних і конструктивних рішень регульованих сферичних гідростатичних та аеростатичних шарнірів. Високими точністними характеристиками відрізняється гідростатичний сферичний шарнір, що включає точну кулю із кераміки (карбід бора). Проведена технологічна апробація даного схемного рішення шляхом виготовлення експериментального зразка.Розроблено регульований гідростатичний шарнір, оснащений мехатронною системою встановлення просторового положення сфери. Дане конструктивне рішення дозволяє регулювати положення сфери шарніра в межах діаметрального зазору.Запропоновано комбінований аеростатично-гідростатичний опорний вузол агрегатований з приводами маніпулятора. Вузол має струменеву систему регулювання опорних реакцій аеростатично-гідростатичних опор сферичного шарніра. Проведена технологічна апробація розробленого пристрою.Для підвищення ефективності запропонованої елементної бази розроблено спеціальні алгоритми системи керування положенням сферичних шарнірів маніпуляторів. Алгоритми розроблені на основі математичного моделювання динамічних процесів у шарнірних пристроях. Алгоритми включають реалізацію просторових полігармонічних переміщень сфери із цілеспрямованим вибором напрямку результуючих переміщень, що забезпечує необхідну точність та швидкодію процесу регулювання положення шарнірів маніпулятор

Development of a Novel Ball-and-Socket Flexible Manipulator for Minimally Invasive Flexible Surgery

This work proposes a novel flexible manipulator consisting of a series of 2-DOF vertebrae based on a ball-andsocket joint that is connected by a ball-shaped surface and a cupshaped socket and constrained by pins for circumferential rotation. This manipulator can demonstrate outstanding torsional stiffness since the circumferential rotation between the vertebrae is constrained by four ball pins. The point contact between ball pins and guideways effectively reduces the friction between the vertebrae, thus allowing the designed manipulator to yield a smooth bending shape with constant curvature. This manipulator features high axial and torsional stiffness, excellent bending performance, sufficient loading capacity, and convenient integration with surgical instruments. Moreover, the excellent torsional stiffness enables this manipulator to efficiently transfer torque and be applied in in-situ torsional motion, effectively addressing the typical issue of limited dexterity for torsional motion. The kinematic modeling of the proposed manipulator under in-situ torsional motion has been derived, and its workspace has been analyzed. A robotic system has been assembled, and experiments have verified the proposed design and modeling validity. The results show that the maximum position errors in bending motion are 2.39% (horizontal direction) and 1.98% (vertical direction), and its torsional stiffness is 21.13N∙mm/deg, which is 46 times higher than that of a typical spherical flexible manipulator (SFM). Such merits support this manipulator excellently performing the in-situ torsional motion with a maximum average position error of 3.58%. Furthermore, a phantom test of the larynx has been performed to verify the potential of clinical feasibility

An efficient finite element formulation of dynamics for a flexible robot with different type of joints

If two adjacent links of a flexible robot are connected via a revolute joint or a fixed prismatic joint, the relative motion of the next link will depend on both the joint motion and the elastic displacement of the distal end of the previous link. However, if the two adjacent links are connected via a sliding prismatic joint, the relative motion of the next link will depend additionally on the elastic deformation distributed along the previous link. Therefore, formulation of the motion equations for a multi-link flexible robot consisting of the revolute joints, the fixed prismatic joints and the sliding prismatic joints is challenging. In this study, the finite element kinematic and dynamic formulation was successfully developed and validated for the flexible robot, in which a transformation matrix is proposed to describe the kinematics of both the joint motion and the link deformation. Additionally, a new recursive formulation of the dynamic equations is introduced. As compared with the previous methods, the time complexity of the formulation is reduced by O(2η), where η is the number of finite elements on all links. The numerical examples and experiments were implemented to validate the proposed kinematic and dynamic modelling method

Наземні роботизовані комплекси

В монографії в систематичній формі викладені дослідження в галузі наземних роботизованих комплексів. Наведені конструкції сучасних наземних роботизованих комплексів виконано аналіз їх схемних і конструктивних рішень та областей застосування. Особливу увагу приділено пристроям спеціального призначення (військовим роботам). Детально викладені особливості геометрії, кінематики і статики наземних роботизованих комплексів. Розроблені методи розрахунку кінематичних параметрів, визначені похибки позиціонування роботів по шести просторовим координатам, встановлені умови статичної стійкості наземних роботизованих комплексів. Запропоновані методи дослідження динаміки наземних роботизованих комплексів. Викладено дослідження динамічних властивостей роботів з використанням теорії нечітких (fuzzy) множин. Сформульовані основні положення теорії проектування наземних роботизованих комплексів. Запропонована концепція, схемні і конструктивні рішення основних вузлів , методики проектних розрахунків. Монографія розрахована на широке коло фахівців промисловості, науковців, аспірантів та студентів, які займаються розробленням та дослідженням робототехнічних систе