Дослідження кінематичних характеристик гібридних робототехнічних систем паралельно-послідовної структури з додатковим кінематичним зв’язком

Abstract

UA: У статті розглянуто питання дослідження кінематичних характеристик гібридних робототехнічних систем паралельно-послідовної структури з додатковим кінематичним зв’язком. Актуальність роботи обумовлена зростанням потреб сучасного виробництва у високопродуктивних роботизованих системах, здатних забезпечувати високу точність позиціювання, жорсткість конструкції та розширені функціональні можливості для виконання технологічних операцій в авіабудуванні, машинобудуванні, автомобілебудуванні та інших галузях. Маніпулятори паралельної структури мають високу вантажопідйомність, швидкодію і точність позиціювання виконавчого органа, але обмежену робочу область. Одним із перспективних напрямів усунення цього недоліку є використання гібридних структур, що поєднують переваги паралельних і послідовних механізмів. Такі системи дають змогу збільшити робочу зону, зберігаючи високі показники жорсткості та динамічних характеристик. У роботі досліджено гібридний маніпулятор паралельно-послідовної структури, конструктивною особливістю якого є наявність додаткового пасивного кінематичного зв’язку. Використання додаткової ланки забезпечує зменшення згинальних навантажень на лінійні приводи і підвищення жорсткості конструкції під час переміщення об’єктів значної маси. Крім того, додатковий кінематичний зв’язок розширює технологічні можливості системи та може бути використаний для реалізації допоміжних функцій, зокрема підведення робочого середовища, енергії або встановлення додаткових функціональних модулів. У межах дослідження проаналізовано структуру маніпулятора і розроблено математичну модель для визначення його кінематичних характеристик. Розглянуто особливості розв’язання прямої та оберненої задач кінематики, визначено залежності між параметрами приводів і положенням вихідної ланки. Отримані результати можуть бути використані під час проєктування та синтезу систем керування гібридними робототехнічними комплексами з підвищеними вимогами щодо точності та жорсткості.

EN: The article investigates the kinematic characteristics of hybrid parallel-serial robotic systems with an additional kinematic linkage. The relevance of the study is driven by the growing demand in modern manufacturing for high-performance robotic systems capable of ensuring high positioning accuracy, structural rigidity, and enhanced functionality when performing technological operations in aviation, mechanical engineering, automotive industry, and other sectors. Parallel manipulators are characterized by high loadcarrying capacity, speed, and positioning accuracy of the end-effector. However, they have a limited workspace. One of the promising ways to overcome this limitation is the use of hybrid structures that combine the advantages of parallel and serial mechanisms. Such systems allow expanding the working area while maintaining high stiffness and dynamic performance. This paper examines a hybrid parallel-serial manipulator, a distinctive design feature of which is the presence of an additional passive kinematic linkage. The use of the additional link reduces bending loads on the linear actuators and increases the overall structural rigidity during the manipulation of heavy objects. Furthermore, the additional kinematic linkage expands the technological capabilities of the system and can be used to implement auxiliary functions, such as supplying working media, energy, or mounting additional functional modules.Within the framework of the study, the structural analysis of the manipulator was performed and a mathematical model for determining its kinematic characteristics was developed. The features of solving the forward and inverse kinematics problems were considered, and the relationships between the actuator parameters and the position of the end-effector were established. The obtained results can be applied in the design and synthesis of control systems for hybrid robotic complexes with increased requirements for accuracy and rigidity.