Dynamic characteristics of a mobile robot manipulator built on the basis of a mechanism with parallel kinematic couplings

The mathematical model of dynamical characteristics of a mobile robot with parallel kinematic bonds is developed on the basis of the use of the theory of fuzzy sets. For the dynamic system platform, four partial dynamic subsystems are introduced. Three of them describe the translational movement of the platform in three directions, and the subsystem of the spherical motion describes the rotary motion of the platform relative to the pole. Dynamic subsystems of a variable-length rod take into account the distribution of the parameters of the rod in length. The mathematical modeling of dynamic processes in mobile works of parallel kinematics at single and packet pulse dynamic shock disturbances is carried out.Розроблена математична модель динамічних характеристик мобільного робота з паралельними кінематичними зв’язками на основі використання теорії нечітких множин. Для динамічної системи платформи введено чотири парціальні динамічні підсистеми. Три з них описують поступальні переміщення платформи у трьох напрямках, а підсистема сферичного руху описує поворотний рух платформи відносно полюса. Динамічні підсистеми штанг змінної довжини враховують розподіленість параметрів штанг по довжині. Проведено математичне моделювання динамічних процесів мобільного роботах паралельної кінематики при одиничних і пакетних імпульсних динамічних збуреннях штанг

Дослідження лінійних та кутових коливань рухомої платформи наземного роботизованого комплексу

Проблематика  Сучасні наземні роботизовані комплекси мають значну швидкість переміщення, що приводить до виникнення коливань платформи та маніпулятора. Проблема полягає у розробленні високоефективних транспортних засобів, що враховують динамічні процеси, а їх вплив мінімізується за допомогою конструктивних рішень та демпферів. Мета  Метою роботи є дослідження динаміки рухомої платформи роботизовного комплексу та встановлення її динамічних параметрів. При цьому необхідно визначити характеристики коливальних процесів, зокрема лінійні та поперечно-кутові переміщення платформи. Методика реалізації  Розроблено динамічну модель платформи, що має три ступені вільності  та враховує робочі процеси гусениць та катків. Використана розрахункова схема, що передбачає наявність шести точок опирання на поверхню. Методика базується на знаходженні положення катків, що визначаються профілем дорожнього полотна. У моделі враховано пружно-дисипативні властивості гусениці та поверхні. Проведено дослідження платформи при її переміщенні по поверхні зі складним профілем. Для її опису використані полігармонічні залежності із  випадковими параметрами. Результати Розроблена модель дозволила визначити динамічні характеристики роботизованої платформи при її взаємодії із нерівностями довільної форми. На основі знайдених рівнянь сферичного руху проведено математичне моделювання робочих процесів,  визначені кутові координати та кутові швидкості повороту платформи. Висновки  Результати моделювання сферичного руху платформи відповідають фізичній суті робочих процесів. Ці дані необхідні для дослідження динаміки маніпулятора рухомого роботизовного комплексу. Врахування коливань платформи забезпечує покращення характеристик наземних роботизованих комплексів, що переміщуються із високою швидкістю

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

Robust Model Predictive Control for Linear Parameter Varying Systems along with Exploration of its Application in Medical Mobile Robots

This thesis seeks to develop a robust model predictive controller (MPC) for Linear Parameter Varying (LPV) systems. LPV models based on input-output display are employed. We aim to improve robust MPC methods for LPV systems with an input-output display. This improvement will be examined from two perspectives. First, the system must be stable in conditions of uncertainty (in signal scheduling or due to disturbance) and perform well in both tracking and regulation problems. Secondly, the proposed method should be practical, i.e., it should have a reasonable computational load and not be conservative. Firstly, an interpolation approach is utilized to minimize the conservativeness of the MPC. The controller is calculated as a linear combination of a set of offline predefined control laws. The coefficients of these offline controllers are derived from a real-time optimization problem. The control gains are determined to ensure stability and increase the terminal set. Secondly, in order to test the system's robustness to external disturbances, a free control move was added to the control law. Also, a Recurrent Neural Network (RNN) algorithm is applied for online optimization, showing that this optimization method has better speed and accuracy than traditional algorithms. The proposed controller was compared with two methods (robust MPC and MPC with LPV model based on input-output) in reference tracking and disturbance rejection scenarios. It was shown that the proposed method works well in both parts. However, two other methods could not deal with the disturbance. Thirdly, a support vector machine was introduced to identify the input-output LPV model to estimate the output. The estimated model was compared with the actual nonlinear system outputs, and the identification was shown to be effective. As a consequence, the controller can accurately follow the reference. Finally, an interpolation-based MPC with free control moves is implemented for a wheeled mobile robot in a hospital setting, where an RNN solves the online optimization problem. The controller was compared with a robust MPC and MPC-LPV in reference tracking, disturbance rejection, online computational load, and region of attraction. The results indicate that our proposed method surpasses and can navigate quickly and reliably while avoiding obstacles

Функціонально-оріентована елементна база проектування систем гідро- і пневмоприводів

Виконано аналіз наявних елементних баз для проектування систем гідро- і пневмоприводів. Досліджено архітектуру і склад елементних баз та визначено їх вплив на формування функціональних можливостей систем гідро- і пневмоприводів. Розроблена принципово нова елементна база систем гідро- і пневмоприводів, що включає комплектні гідро- і пневмоприводи агреговані із приводами мікропереміщень, пружно-деформовані приводи, гідростатичні та аеростатичні шарніри, в тому числі регульовані та магнітні шарніри та інерційні демпфери коливань. В запропонованій елементній базі використані нові матеріали та технології: кераміка, фото полімери, феромагнітні металполімерні композити. Застосовані комп’ютерно-інтегровані технології машинобудування, що включають лазерну обробку. Досліджені робочі процеси в інноваційних елементах приводів, зокрема визначені характеристики течії в щілинах шарнірів, течії феромагнітної рідини та процеси в пневматичних пристроях. Досліджено динамічні властивості розроблених систем приводів. Інерційні характеристики приводів описані стохастичними тензорними полями тензорів моментів інерції із введенням тензора-градіента поля. Використані планарні та просторові лінійні та нелінійні динамічні моделі. Розроблені математичні 38 моделі для розрахунку ланцюгових парціальних динамічних підсистем сферичного руху та встановлені особливості їх динамічних характеристик. Основні результати досліджень апробовані виготовленням та дослідженням конкретних систем приводів, побудованих на новій елементній базі

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