Записи

Фотографии

Картины





Контакты

Электронная почта:
sergeiy@pochtamt.ru

Bконтакте:
vk.com/s_m_zuev

FaceBook:
facebook.com/sergeiy.zuev

В системе идентификации авторов ResearcherID:

ORCID:
orcid.org/0000-0002-7876-5420

Foto.ru:
club.foto.ru/user/46167





История платформы Стюарта

Первые исследования

Первая шестиножная платформа, названная в будущем платформой Стюарта, была построена Гаусом в 1950-м году [1]. Зато первая научная публикация была сделана Стюартом, поэтому механизм и получил такое название. Имеется некая брешь между индустрией и академической наукой, которая позволила появиться различным механизмам параллельной структуры без публикации теоретических работ. Сегодня подавляющее число работ по механизмам параллельной структуры имеет в списке используемой литературы статью Стюарта, а также статьи из списка публикаций, основанных исключительно только на одной единственной статье Стюарта.

Впервые теоретические работы о параллельных механизмов, в частности, о шестиножной платформе, появились несколько веков назад, когда английские и французские геометры увлекались такими объектами, как многогранники. Так, профессор Манфред Хасти (Manfred Husty), впервые вывел аналитические методы для решения 40 задач прямой кинематической задачи шестигранника. Доктор Жан-Пьер Мерле (Jean-Pierre Merlet) является автором первой книги по параллельным механизмам. Джеймс Гвиннет одним из первых придумал построить подвижную платформу для развлекательной индустрии (cм. рис.1). В основе его развлекательного аттракциона лежала сферическая параллельная кинематическая схема. Механизм был запатентован в 1931 году(US Patent No. 1,789,680).


Рис.1. Развлекательный аттракцион Джеймса Гвиннета.

Этот механизм известен как первая конструкция параллельной кинематической структуры со многими степенями подвижности, однако конструкция оказалась настолько сложной, что технологии, существовавшие в то время, не позволили воплотить изобретение в жизнь.

Через десять лет, в 1942 году был оформлен патент на первый робот параллельной конструкции (см. рис. 2), предназначенный для распылeния краски (US Patent No. 2,286,571).


Рис.2. Первый пространственный промышленный параллельный робот.
Это оригинальное избретение представляет собой трехсуставный параллельный робот с пятью cтепенями свободы. Три центральных сустава приводились в движение при помощи поворотных моторов, закрепленных в основании робота, три внешних сустава прикреплялись к центральным суставам при помощи универсальных шарниров. Таким образом, при помощи трех моторов задавалось положение держателя инструментов, в то время как его ориентация управлялась двумя другими моторами, тоже закрепленными на базе и передающими движение при помощи гибкого вращающегося троса. Робот предназначался для покраски, но не был построен.

Первый построенный промышленный робот немного отличался от описанного выше изобретения Полларда и был разработан его сыном Виллардом. Созданный им механический манипулятор представлял собой робота с параллельной структурой, аналогичной строению пантографа. В движение манипулятор приводился двумя двигателями.

Шестиножка Гауса

Несколькими годами позже, в 1947 г., был изобретен новый параллельный механизм, ставший впоследствии наиболее популярным, внесшим большие изменения в промышленность и претерпевшим тысячи модификаций -- восьмигранная платформа с шестью опорными стержнями, меняющими свою длину (рис. 3).


Рис.3. Первая шестиножная платформа, построенная Гауссом в 1954 г.

Эрик Гаус был выдающимся автомобильным конструктором компании Данлоп Раббер Корпорейшн из города Бермингем в Англии. Универсальная шинотестирующая машина была изобретена для тестирования самолетных шин в момент посадки. Исследовались свойства шин при приземлении самолета [1].

Изобретатель указал в своей работе [2]. , что механизмы с шестью опорами были уже давно известны. Действительно, шестиножные платформы с тремя вертикальными и тремя горизонтальными опорами были настолько широко распространены, что их происхождение давно забыто. Эти механизмы были столь популярны благодаря удобству настройки положения платформы и получили аббревиатуру MAST (многоосевые имитационные столы). Они до сих пор производятся различными компаниями ( см. рис. 4).

Рис.4. Современные MAST системы.

Отличительной особенностью платформы Гауса являлось расположение шести несущих стержней. Поскольку Эрику Гаусу требовался наибольший рабочий объем механизма, естесственно было выбрано симметричное расположение стержней, образующее восьмигранник. Механизм был построен в начале 50-х годов и полностью был готов к использованию в 1954 году. Изменение длин стержней производилось вручную путем подкручивания винтов. Платформа с заранее расчитанными параметрами использовалась для испытания с заданной нагрузкой в заданном положении. Через некоторое время произошла модернизация механизма, который стал оснащаться двигателями с программным управлением. В последствии этот механизм был передан в музей науки в Лондоне (см. рис.5 ).


Рис.5. Усовершенствованная платформа Гауса, хранящаяся в Лондонском музее науки, фото 2007 года.

Публикация Стюарта

В 1965 году в британском журнале IMechE была опубликована ныне широко известная работа Стюарта [3], описывающая авиаимитационный стенд с шестью степенями свободы. Предложенный параллельный механизм (см. рис. 6 ), однако, отличался от шестигранной шестиножки , на которую, как ни странно, обычно ссылаются, как на платформу Стюарта [4].


Рис.6.Авиаимитационный стенд Стюарта.
Кинематическая схема платформы показана на рис. 7. Выход статьи в свет горячо обсуждался среди ученых и конструкторов, среди которых был и Эрик Гаус.


Рис.7. Общая схема механизма, взятая из статьи Стюарта.


Без сомнения, эта превосходная работа дала толчок последующему развитию теории параллельных механизмов. Были сделаны многочисленные предложения для использования шестиножки, многие из них были реализованы.

Шестиножка Каппеля

В 1962 году в Америке Клаус Каппель столкнулся со сложной задачей, которую поставили ему во Франклинской Исследовательской лаборатории в Филадельфии. Ему требовалось усовершенствовать существующий MAST стенд с шестью степенями свободы, который имел четыре опорных стержня для перераспределения горизонтальных реакционных сил и три горизонтальных опоры. Семистержневая система была очень сложной для управления, и стол имитатора часто ломался. Изучив старую конструкцию, Каппель создал механизм такой же, как у Эрика Гауса( см. рис. 8 ).


Рис.8. Рисунок платформы Каппеля (US papent No.3,295,224).


В 1971 Клаус Каппель полчил право на свое изобретение, которым являлся авиаимитатор движения. Заявка на патент была подана 7 декабря 1964 года, когда Каппель даже не подозревал о работе Гауса и о работе Стюарта, которая еще не была опубликована. Позже Сикорское авиационное подразделение Объединенных технологий (Sikorsky Aircraft Division of United Technologies) решило использовать запатентованный механизм в качестве вертолетного имитатора. В результате был создан первый авиаимитационный стенд, основанный на восьмигранной шестиножке.


Рис.9. Первый симулятор полета, основанный на восьмигранной шестиножной платформе и существовавший в 1960-х годах благодаря Клаусу Каппелю.


Первая лицензия на патент была дана в конце 60-х годов компании Линк, ставшей в будущем лидером на рынке производителей авиаимитаторов. Первое нарушение лицензии случилось в начале 70-х годов благодаря компании CAE, ведущей компании по производству авиаимитаторов. Судебный процесс был выигран Франклинским исследовательским институтом. Позднее другие компании, вступающие на рынок динамических имитаторов, законно использовали патент Каппеля. Во Франклинском институте был изобретен и построен также имитатор движения автомобиля, который купила компания Даймлер-Бенц. В настоящее время платформа широко применяется в качестве динамического стенда для тренировки водителей автомобилей и пилотов [5], [6], [7], [8], [9], [10] .




Рис.10. Клаус Каппель рассказывает про восьмигранную шестиножку руководителям Франклинского института.

[11], отношение к новоизобретенной шестиножной конструкции было неожиданно негативным в течение многих лет, пока не пришло всемирное признание, однако к этому моменту имя Клаусса Каппеля успели забыть. Более чем через три десятилетия тысячи конструктивно аналогичных восьмигранных шестиножек были созданы, в основном это были имитационные стенды. В частности, одна из интересных моделей была разработана Ершовым Б.А. и Трифоненко Б.В. на математико-механическом факультете СПБГУ [12]. До сих пор существуют компании, копирующие в точности механизм Каппеля, не внося поправок на требуемый рабочий объем, спецификацию задач, кинематику.

Современные разработки

Платформа применяется в задачах динамической имитации различных управляемых объектов [13] [14] [15] [16] . Имитационные стенды, построенные на базе платформы Стюарта, имеют широкое применение для испытания новых типов летательных аппаратов и подготовки пилотов, подобые крупные динамические стенды создаются ведущими авиастроительными компаниями, причем, примерно на десять самолетов выпускается один стенд [17]. К платформе стенда крепится кабина самолета, и пилот органами управления самолетом путем изменения длин стержней приводит стенд в движе\-ние. При этом у летчика создается полная иллюзия реального перемещения в пространстве вместе с самолетом [18]. Стенды применяются для обучения пилотов, в том числе для обучения правильному поведению в экстремальных ситуациях, для отработки посадки самолета в конкретных аэропортах мира, для поддержа\-ния хорошей летной формы. Различные модификации механизма Стюарта применяются для позиционирования активных поверхностей зеркал радиотелескопа [19] [20], [21] в Мексике. В чилийском 1,5-метровом телескопе "Гексапод" используется механизм Стюарта в качестве монтировки. Пространственная рама Тейлора, используемая в ортопедической хирургии для коррекции деформации костей и для лечения сложных переломов, также построена на базе платформы Стюарта ( см. рис. 11).


Рис.11. Пространственная рама Тейлора для фиксации конечностей человека.


Система стыковки космических аппаратов с низким воздействием, разработанная НАСА, использует платформу Стюарта для манипуляций с космическими средствами передвижения во время стыковки. Компания Geodetic Technology зарегистрировала товарный знак "шестиножник" (англ. — hexapod) для платформ Стюарта, используемых в машиностроении. В Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре сопротивление материалов и деталей машин разработан ряд погрузочных манипуляторов, в основе исполнительного механизма которых используется модифицированная платформа Стюарта. Манипулятор-трипод может устанавливаться на самоходные шасси (колёсные, гусеничные и шагающие). Интересная разработка[22] представлена американским университетом робототехники (Carnegie Mellon University Robotics Institute). Предлагаемую конструкцию, напоминающую куст, каждая ветка которого представляет собой платформу Стюарта, можно отнести к классу l-координатных манипуляторов. В данном механизме подвижная платформа каждого звена может значительно менять свое положение, угол наклона, удлинять звено, что позволяет добиваться значительной гибкости всей конструкции при сохранении жесткости и прочности. Стоит отметить, что при этом существует ограничение на угол поворота каждого звена $\pm 30^o$, в то время, как подавляющее большинство существующих кустовых роботов способны вращать свои звенья вокруг оси на один оборот и более. При необходимости это ограничение можно обойти путем установки в основании каждого звена дополнительного цилиндрического шарнира, ось которого совпадает с продольной осью симметрии звена. На рис. 12 представлен пример ветки манипулятора с несколькими звеньями.

Рис.12. Ветвящаяся струтура второго уровня.


Платформа Стюарта так же была предложена для создания наноманипулятора-ассемблера [23]. Его точность позиционирования должна быть достаточной для образования между атомами различных химических связей. Этого можно добиться, используя так называемый ``гибкий'' инструмент, присоединяющий к себе необходимый атом одной химической связью и, присоединив его на место с более сильной связью, разорвать присоединяющую к инструменту. Для повышения жесткости и прочности была разработана система из двух треног, названная ``двойной трипод'', представленная на рис. 13.

Рис.13. Проект нанонманипулятора "двойной трипод".


Данная конструкция состоит из двух треног, каждая из которых имеет один главный и два несущих стержня. Их функция -- изменение положения части верхнего шарнирного соединения, в котором размещается инструмент. Вся конструкция в целом имеет жесткость более сильную, чем платформа Стюарта. Интереная конструкция под названием Робокран также является разновидностью манипулятора, построенного по схеме платформы Стюарта. Он был изобретен Джеймсом Альбусом в американском подразделении Интеллектуальных систем в Национальном институте стандартов и технологий (NIST). Механизм представляет собой многоцелевой манипулятор с тросовым приводом вместо штоков переменной длины, см. рис. 14.

Рис.14.Робокран американского Национального Института Стандартов и Технологий.


Робокран позволяет перемещать и ориентировать полезный груз произвольно в рабочей области благодаря шести степеням свободы подвижной платформы. Управлять движением можно в ручном режиме, режиме телеоператора и в автоматическом режиме -- путем графического задания программы движения. Также существует смешанный способ. Первоначально робокран разрабатывался в рамках проекта DARPA для точного позиционирования грузов для обычных кранов. Сейчас механизм был усовершенствован для различных задач переноса груза на земле, воде, воздухе и в космосе. Он способен выдерживать высокие нагрузки, имеет устойчивую конфигурацию, высокую гибкость, превосходную маневренность и способен перемещаться по разнообразным поверхностям. Платформе Стюарта посвящены многочисленные научные работы, исследующие кинематику, динамику, управление платформой. В работе [24] вводится понятие управляющих связей, обозначающих нестационарные голономные связи, используемые для управления движением платформы. При этом возникает ряд задач кинематического и динамического характера: задача определения границы области достижимых положений платформы, задача оптимальной схемы крепления штоков, задача статической и динамической устойчивости и т.д. Можно выделить целую серию работ, связанную с поиском оптимальных конструкций и исследованием кинематики платформы, как частного случая параллельного механизма. Решение прямой кинематической задачи часто встречается в литературе, типичный пример -- работа иностанных ученых [25]. Богатый выбор конструкторских решений для создани динамических стендов расширяется благодаря развитию различных электромеханических устройств, которые могут быть использованы в качестве приводов, обеспечивающих заданные программные движения платформы и это находит отражение в научных ислледованиях [26] [27]. В работе [28] выведены уравнения всех поверхностей для множества достижимых положений платформы, работа [29] представляет решение прямой и обратной задач кинематики, в ней изучена динамика платформы с учетом трения в шарнирах, а также рассмотрена модель с учетом динамического воздействия штоков. Исследования стенда-тренажера ``динамическое кресло'' представлены в работах Б.В.Трифоненко. [30] [31] [32] [33] [34]. В них решаются задачи создания алгоритма управления по заданному закону, подбор оптимальной кинематики, задача выбора закона движения для имитации полета, cинтез и оптимизация кинематических схем имитационных стендов. Динамика стендов, имитирующих движение, вопросы проектирования исследованы в работах [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] . В монографии [41] платформа описывается с использованием специальной формы уравнений динамики системы твердых тел [42]. Применение методов фракционного анализа в задачах стабилизации динамического стенда описано в работе [43].

Заключение

Подводя итоги исторической справки, можно сказать, что Гаус был первым, кто изобрел и построил восьмигранную шестиножку. Однако Клаусс Каппель позже и независимо от работы Гауса изобрел подобный механизм, запатентовал его, выдал лицензию первой компании по изготовлению авиаимитаторов и создал первый коммерческий шестиножный имитационный стенд. И, наконец, Стюарт, неумышленно, заново предложил миру данную конструкцию для использования в качестве, опять же, имитатора, при этом создав научную публикацию. Напомним, что не восьмигранные шестиножные стенды существовали задолго до шестиножки Гауса.

Литература

[1] Gaugh V.E. and Whitehall S.G. Universal Tyre Test Machine //Proc. 9th Int. Tech. Congress F.I.S.I.T.A., May 1962. P. 117.

[2] Gough, V.E. Contribution to discussion of papers on research in Automobile Stability, Control and Tyre performance // Proc. Auto Div. Inst. Mech. Eng. 1956. P.392–394.

[3] Stewart D. A platform with six degrees of freedom // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. London. 1965. Vol.180. \No15. P.371-385.

[4] Lazard D.; Merlet J. -P. The (true) Stewart platform has 12 configurations // Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1994. P. 2160.

[5] Александров В.В. О постановке задач динамической имитации полета //Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации; 1983, 1984 гг. М.:Наука.1985. С.75-78.

[6] Александров В.В., Садовничий В.А., Чугунов О.Д. Математические задачи динамической имитации полета. М.: Изд-во МГУ. 1986. 181 с.

[7] Антонов И.Л., Федорова Г.А. Алгоритмы автоматизированного определения динамических параметров авиационных тренажеров // Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации; 1983,1984 гг. М.: Наука, 1985, с. 84.

[8] Боднер В.А., Закиров P.A., Смирнова И.И. Авиационные тренажеры. М.: Машиностроение, 1978. 192 с.

[9] Александров В.В., Буков В.Н., Воронин Л.И. и др. Сквозная динамическая имитация космических полетов //Гагаринские чтения по космонавтике и авиации; 1990,1991 гг. М.: Наука. 1991. С.165-166.

[10] Чернышев A.B. Проектирование стендов для испытания и контроля бортовых систем летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 384 с.

[11] Bonev I.A. The True Origins of Parallel Robots // ParalleMIC, janvier 2003.

[12] Ершов Б.А., Трифоненко Б.В. Движение твердого тела при действии управляющих связей // Вестн. Ленингр. ун-та. 1985. \No8, с.52-56.

[13] Александров В.В., Садовничий В.А., Чугунов О.Д. Математические задачи динамической имитации полета. М.: Изд-во МГУ. 1986. 181 с.

[14] Александров В.В. Об имитации кажущегося ускорения // Докл. АН СССР, 1981, т. 256, № 2, с. 314-317.

[15] Александров В.В. О постановке задач динамической имитации полета // Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации; 1983, 1984 гг. М.: Наука, 1985, с. 75-78.

[16] Александров В.В. и др. Математические задачи динамической имитации аэрокосмических полетов /В.В. Александров, Л.И. Воронин, Ю.Н. Глазков, А.Ю. Ишлинский, В.А. Садовничий. Под ред. В.А. Садовничего. М.: Изд-во МГУ, 1995. 160 с.

[17] Зегжда С.А., Солтаханов Ш.Х., Юшков М.П. Уравнения движения неголономных систем и вариационные принципы механики. Новый класс задач управления. М.: Наука. 2005. 269 с.

[18] Александров В.В., Дылевский И.В. и др. Алгоритм имитации полета на динамическом стенде опорного типа // Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1983, № 2, с. 30-37.

[19] Александров В.В., Локшин Б.Я., Л. Гомес Е.Л., Салазар И.Х. Cтабилизация управляемой платформы при наличии ветровых возмущений // Фундамент. и прикл. матем. 2005. Том11. Вып.7, с.97-115.

[20] Зуев С.М., Трифоненко Б.В. Применение специальной формы уравнений Лагранжа к несущей платформе телескопа // Международный конгресс 150-летию академика А.М.Ляпунова ``Нелинейный динамический анализ-2007''. Изд-во СПбГУ, 2007, с. 280.

[21] Alexandrov V.V., Salazar H., Guerra L., Sobolevskaya I.N., Trifonova A.V. Stabilization of relative position of Stewart platforms // Mathematical Modeling of Complex Information Processing Systems. — Moscow: Moscow University Press, 2001. P. 71—83.

[22] Hans Moravec. Fractal branching ultra-dexterous robots (Bush robots) // Carnegie Mellon University Robotics Institute. NASA ACRP Quarterly Report August 30, 1998.

[23] Ralph C. Merkle. A New Family of Six Degree Of Freedom Positional Devices // Nanotechnology. Vol. 8. No. 2. June 1997. P. 47-52.

[24] Трифоненко Б.В. Движение твердого тела с управляющими связями // Межвуз. сб. ``Колебания и устойчивость механических систем''. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та. 1981. (Прикладная механика, вып. 5), с. 100-106.

[25] Nanua P., Waldron K.J., Murthy V. Direct Kinematic Solution of a Stewart platform // IEEE Trans. On Robotics and Automation. 1990. Vol.6. P. 438-444 .

[26] Kerr D.R. Analysis, Properties, and Design of a Stewart Platform Transducer // Trans. ASME, Journal Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design. 1989. No1. P. 25-28.

[27] Rathbun G.P., Dunlop G.R. Commensurate Positioning for a Stepmotor Actuated Stewart Platform // VII World Congress IFTOMM, Sevilla. 1987. P. 1481-1484.

[28] Adkins F.A., Haug E.J. Operational envelope of a spatial Stewart platform // Trans. ASME. J.Mech.Des. 1997. Vol.\,31. \No\,368. P.\,330-332.

[29] Harib K., Srinivasan K. Kinematic and dynamic analysis of Stewart platform-based machine tool structures //Robotica. Vol.\,21. \No\,05. 2003. P.\,541-554.

[30] Трифоненко Б.В. Синтез кинематических схем имитационных стендов. В кн. ``Математические задачи динамической имитации полета''. М.: Изд-во МГУ. 1986. \S 2, с.\,7-14.

[31] Данилов А.В., Трифоненко Б.В. Динамика робототехнических систем типа стенда-имитатора. Труды IV Всесоюзного совещания по робототехническим системам. Киев. 1987. С. 48-50.

[32] Данилов А.В., Трифоненко Б.В. Программное управление движением динамического стенда. Вестник ЛГУ. 1988. Серия 1, вып. 4, с. 49-53.

[33] Ершов Б.А., Трифоненко Б.В., Швецов П.Е. Анализ движения стенда-тренажера типа ``динамическое кресло''. В кн. ``Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации''. М.: Наука. 1989.

[34] Ершов Б.А., Трифоненко Б.В. Синтез оптимальных кинематических схем и исследование динамики шестистепенных имитаторов движения. Труды III Всесоюзной научно-технической конференции ``Тренажеры и компьютеризация''. Калининград, 1991. Т.2, с.232.

[35] Александров В.В., Антонов И.А., Тиханина И.Г. Об одном принципе управления имитатором ускорения. В кн. ``Некоторые вопросы теории навигационных систем''. Научные труды Института механики, МГУ. 1979.

[36] Аминова И.В. Устойчивость многомерного динамического стенда // Имитация полета. Тезисы докладов. М.: ЦАГИ, 1992, с. 31-32.

[37] Бюшгенс А.Г. Моделирование динамики самолета на пилотажных стендах. В кн.: Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. М.:Наука, Физматлит, 1998.

[38] Кирсенко H.A. Критерии подобия моделей динамики полета авиационных тренажеров // Авиационные тренажеры и системы управления воздушным движением. Киев: КИИГА, 1989, с.14-18.

[39] Чернышев A.B. Проектирование стендов для испытания и контроля бортовых систем летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 384 с.

[40] Hoffman R., McKinnon M.C. Vibration Modes of an Aircraft Simulator Motion System // Proc. of the Fifth World Congress for the Theory of Machines and Mechanisms, an ASME Publication. 1979. P. 603-606.

[41] Зуев С.М. Определение управляющих сил, перемещающих поступательно платформу Стюарта с шестью степенями свободы по заданному закону. // Восьмые Окуневские чтения, 2013, с. 162.

[42] Зегжда С.А., Солтаханов Ш.Х., Юшков М.П. Уравнения движения неголономных систем и вариационные принципы механики. Новый класс задач управления. М.: Наука. 2005. 269 с.

[43] Поляхов Н.Н., Зегжда С.А., Юшков М.П. Специальная форма уравнений динамики системы твердых тел // Докл. АНСССР. 1989. Т.309. \No 4. C. 805-807.

[34] Бардушкина И.В. Методы фракционного анализа в задаче стабилизации динамического стенда опорного типа // Электроника и информатика-XXI век. Третья Международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов.М.: МИЭТ, 2000, с.288.
1












Дата крайнего обновления:
25 ноября 2016
© 2003—2016 ZSM

карта сайта