Разработка и исследование трехкоординатного электропривода для манипуляторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Липин, Артем Вадимович

• Липин, Артем Вадимович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Липин, Артем Вадимович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК МУЛЬТИКООРДИНАТНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1Л. Применение МЭМП в качестве механизма ориентации захвата манипулятора робота-транспортировщика деталей

1.2. Структура литературного обзора существующих разработок

1.3. Механические мультикоординатные устройства

1.3.1. Механизмы свободного перемещения

1.3.2. Сферический двигатель внутреннего сгорания

1.3.3. Сферический двигатель «НииПп К1^е1то1:ог»

1.3.4. Воздушные подшипники

1.4. Электромеханические мультикоординатные устройства

1.4.1. Асинхронные электромеханические мультикоординатные устройства

1.4.2. Электромеханические мультикоординатные устройства

с постоянными магнитами

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МУЛЬТИКООРДИНАТНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1. Взаимодействие постоянного магнита ротора и электромагнита статора

2.1.1. Описание конструкции системы

2.1.2. Расчет магнитной индукции, создаваемой электромагнитом статора в произвольной точке пространства

2.1.3. Расчет силы взаимодействия

2.2. Представление сферической поверхности посредством

плоскости

2.2.1. Прямое проецирование

2.2.2. Стереографическая проекция

2.2.3. Метод разбиения на базовые сегменты

2.3. Математическая модель электромагнитных процессов в электромагнитах статора

2.4. Уравнения движения

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Векторный алгоритм

3.2. Дискретный алгоритм

3.2.1. Волновой алгоритм

3.2.2. Алгоритм A star

3.2.3. Муравьиный алгоритм

3.3. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Конструкция ротора и статора МЭМП

4.2. Разработка силовой части преобразователя

4.3. Определение принципа управления силовой частью

4.4. Система управления

4.5. Результаты экспериментов

4.6. Сравнение результатов экспериментов с моделированием

4.7. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование трехкоординатного электропривода для манипуляторов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящее время в мире наметились тенденции качественного развития сферы робототехники как общепромышленного, так и специализированного направления. Прогресс наблюдается как в области систем управления и программного обеспечения, так и в совершенствовании конструкции механизмов. В частности, большое значение приобретает разработка новых манипуляторов - исполнительных органов - в связи с повышением требований, предъявляемых к их подвижности и функционалу [1]. Это становится особенно важным при построении адаптивных систем, рассчитанных на работу с изменяющимися задачами.

Одномоторные сервоприводы современных манипуляторов, обладают только одной степенью свободы, что накладывает определенные ограничения на конструкцию установок, а именно ограниченную подвижность. На каждую необходимую степень свободы требуется установка отдельного привода, что ведет к усложнению и удорожанию конструкции в целом. Особенно это сказывается при создании механизмов ориентации рабочего органа, требующих концентрации нескольких приводов в сравнительно небольшом узле. Из-за этого, для обеспечения необходимой ориентации рабочего органа в пространстве, часто приходится применять дополнительные массивные секции манипулятора, требующие установки более мощных приводов, что так же ведет к удорожанию конструкции, увеличению габаритных размеров и усложнению системы управления.

Идея работы заключается в организации сложного движения исполнительного органа при помощи разработанного в ходе работы трехкоординатного электропривода, с использованием только

одного электромеханического преобразователя, конструкционно моделирующего шаровидный сустав.

Степень разработанности темы исследования

В настоящее время разработка мультикоординатных электромеханических систем ведется как в ведущих европейских университетах, так и в ряде стран Азии. Предлагаются различные конструкции многокоординатных электродвигателей постоянного и переменного тока. Подходы к реализации данной идеи принципиально рознятся, от объединения нескольких приводов в одном с использованием ряда оригинальных конструкционных решений, до разработки сферического асинхронного электродвигателя [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Наиболее проработанным является проект германского университета Aachen, выполненный при финансовой поддержке концерна Volkswagen, посвященный разработке и созданию прототипа многокоординатного двигателя названного «Planar Motor». В ходе работ над проектом исследователи смогли не только описать, но и создать функциональный прототип. Однако он оказался сложным для управления, а также имел зоны, в которых позиционирование ротора было затрудненно [8], [9].

В мировой научной литературе развитие данной идеи прослеживается с восьмидесятых годов двадцатого века. Например, в 1986 г, И.П. Копыловым было предложено теоретическое описание сферического асинхронного электродвигателя [10]. Также, в институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана при сотрудничестве с проф. Ричардом Валласом [11] (Lehigh University, США) с 1993 года ведутся исследования по разработке и применению в робототехнике многокоординатных устройств на основе использования двигателей прямого управления [12], [13].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что на текущий момент задача создания мультикоординатных электромеханических систем не имеет общепринятого рационального решения.

Цель работы заключается в разработке трехкоординатного электропривода на основе мультикоординатного электродвигателя с постоянными магнитами, обеспечивающего сложное перемещение исполнительного органа.

Задачи работы

1. Формирование и обоснование конструкционных особенностей мульти-координатного электродвигателя для обеспечения полной управляемости трех координатного электропривода.

2. Создание математического описания трехкоординатного электропривода, позволяющего сформировать алгоритмы управления.

3. Разработка алгоритмов управления трехкоординатным электроприводом, обеспечивающих движение исполнительного органа по заданной траектории.

4. Создание прототипа трехкоординатного электропривода, проведение экспериментальных исследований, подтверждающих его работоспособность.

Научная новизна

1. Предложен подход к математическому описанию электромагнитных процессов, протекающих в мультикоординатном электромеханическом преобразователе (МЭМП), отличающийся переходом от трехмерной системы координат к двухмерной.

2. Получены зависимости сил взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитов от их конфигурации.

3. Получены оригинальные алгоритмы управления перемещением ротора МЭМП по заданной траектории.

Теоретическая и практическая значимость

Предложена и обоснована конструкция мультикоординатного электромеханического преобразователя (МЭМП), отличающегося способом распределения постоянных магнитов на поверхности ротора, создан функциональный прототип.

Полученные научные результаты могут быть использованы как основа для дальнейших исследований, создания и совершенствования исполнительных органов робототехнических установок.

Предложенные подходы к математическому описанию электромеханических процессов в МЭМП, а также алгоритмы перемещения ротора МЭМП могут быть использованы для синтеза и настройки систем управления изменением положения исполнительного органа, приводимого в движение МЭМП.

Созданный прототип многокоординатного электромеханического преобразователя может быть использован для обучения студентов по дисциплинам: теория электропривода, автоматизация производственных процессов, преобразовательная и микропроцессорная техника направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электропривод и автоматика», для повышения навыков программирования, практического ознакомления с элементной базой, а также для расширения кругозора в области построения современных электроприводов.

Методы и методология исследований

В процессе выполнения работы использовались методы решения систем линейных алгебраических уравнений; теория электромагнитного поля; методы планирования эксперимента и обработки результатов при лабораторных испытаниях разработанных устройств. Реализация алгоритмов управления электроприводов производилась на базе микропроцессора А1:те§а с использованием языка программирования С/С++.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Равномерное распределение электромагнитов статора и постоянных магнитов ротора обеспечивает идентичный характер сил их взаимодействия для различных направлений движения ротора.

2. Зависимость полезной составляющей силы взаимодействия полюсов ротора и электромагнитов статора от расстояния между ними аппроксимируется функцией Гаусса с погрешностью, не превышающей 4 % от ее максимального значения.

3. Для формирования управляющего воздействия достаточно учитывать электромагниты статора, попадающие в зону эффективного взаимодействия с полюсами ротора.

Степень достоверности

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректностью принятых допущений при постановке задач, использованием апробированных методов и фундаментальных положений физики и математики.

Апробация работы

Работа проводилась при финансовой поддержке гранта на выполнение научно-исследовательских работ «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (2012 г., договор № 067, заказчик ООО «Центр внедрения инноваций»).

Основное содержание работы, ее отдельные положения и результаты докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:

- Шестая Всероссийская конференция по автоматизированному электроприводу и промышленной электронике АЭПЭ 2014 -25.1 1.2014-27.1 1.2014, г. Новокузнецк.

— Первая Всероссийская научно-практическая конференция «Энергетика и энергосбережение: теория и практика» —

05.12.2014, г. Кемерово.

- «Роль науки в развитии общества», НЦ «Аетерна» -

02.02.2015, г. Уфа

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, при этом 3 работы опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложений и содержит 149 страниц текста, 101 рисунок, 7 таблиц и список литературы, содержащий 96 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., доценту, директору ЭНИН ТПУ, Завьялову Валерию Михайловичу, чьи идеи и научный подход позволили выполнить данную работу.

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., дог(енту, директору ИЗ КузГТУ, Семыкиной Ирине Юрьевне, оказавшей огромную техническую и моральную поддержку в момент, когда автор был готов отказаться от продолжения научной деятельности.

Также, автор хочет сказать огромное спасибо своей маме, Липиной Галине Александровне и Бузиной Анне Юрьевне, за поддержку, а также проявленное терпение н понимание.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК МУЛЬТИКООРДИНАТНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1Л. Применение МЭМП в качестве механизма ориентации захвата манипулятора робота-транспортировщика деталей

Рассмотрим конструкцию обобщенного робота-манипулятора (рис. 1). В качестве рабочего органа данный тип роботов имеет захват, и предназначен для переноски объектов с целью их последующего размещения, сортировки, дальнейшей сборки и т.п. К ним относятся, например, робот-манипулятор сортировки брака, робот-манипулятор расстановки электронных компонентов и др.

Рисунок 1 — Рабочий орган манипулятора

Рассмотрим кинематическую схему обобщенного манипулятора, с захватом в качестве исполнительного органа (рис. 2.а). В этой схеме непосредственная ориентация исполнительного органа

обеспечивается тремя стандартными приводами, сконцентрированными в одном узле, который технически возможно заменить единым устройством, по конструкции схожим с шаровым шарниром, оснащенным собственным трехкоординатным электроприводом, действующим подобно биологическому суставу. Кинематическая схема обобщенного манипулятора с применением предлагаемой конструкции узла ориентации захвата представлена на рис. 2.6.

а б

Рисунок 2 — Кинематическая схема манипулятора

Наиболее проблемным с точки зрения проектирования является трехкоординатный электропривод манипулятора предлагаемой конструкции. В настоящее время в мире не существует общепринятой концепции создания таких систем, и многие исследовательские коллективы предлагают свои решения.

Трехкоординатный электропривод рассматриваемого узла манипулятора должен состоять из системы управления, силового преобразователя и, непосредственно мультикоординатного электромеханического преобразователя (МЭМП) [14].

При разработке мультикоординатных электромеханических преобразователей встает сразу несколько задач, связанных как с пространственной геометрией, так и со схемотехникой преобразователя и алгоритмами функционирования системы управления. Например, при создании сферических двигателей криволинейность поверхности ротора и статора вынуждает отказаться от привычных схем расположения полюсов и способов управления, а большое количество полюсов вынуждает разрабатывать новые математические модели и алгоритмы управления. Все вместе это представляет актуальную научную и инженерную задачу [15].

1.2. Структура литературного обзора существующих разработок

Исследования в области многокоординатных приводов ведутся уже в течение нескольких десятилетий. Первые упоминания датируются 70-ми годами прошлого века [10].

Данный обзор охватывает достижения в области создания мультикоординатных устройств в мире за последние двадцать лет, и сосредоточен, в основном, на электродвигателях, имеющих три степени свободы. В англоязычной литературе принято обозначение 3-DOF Spherical machines (DOF - degree of freedom). Обзор включает в себя два основных раздела, электромеханические мультико-ординатные устройства и механические мультикоординатные устройства. Структура обзора представлена на рис. 3.

1.3. Механические мультикоординатные устройства

Согласно используемой классификации, механические мультикоординатные устройства включают в себя устройства, в которых число степеней свобод, отличное от 1, обеспечивается меха-

ническими узлами, либо несколькими электроприводами, объединенными единым механическим узлом.

Рисунок 3 — Структура обзора

1.3.1. Механизмы свободного перемещения

Наряду с вышеописанным, в англоязычной литературе, в контексте робототехники, часто встречается термин «всенаправлен-ный механизм» (Omnidirectional mechanism), или механизм свободного перемещения. Различают три типа механизмов свободного перемещения: альтернативные (alternate), ортогональные (orthogonal) и сферические (spherical).

Механизмы различаются сложностью конструкции, изотропной способностью и компактностью. Изотропная способность характеризует способность механизма осуществлять равномерное движение в разных направлениях.

Примером Альтернативного механизма свободного перемещения является «всенаправленное колесо» (omnidirectional wheel) [16], [17], показанное на рис. 4.

Рисунок 4 — Всенаправленное колесо

Суть данного проекта состоит в создании конструкции, объединяющей в себе несколько приводов, и получающей в результате определенную свободу перемещений. Данное «колесо» может содержать в себе собственный привод маленьких роликов, которые позволяют осуществлять перемещения не только вокруг оси, но и вдоль нее. Подобный механизм, благодаря своей простоте и доступности, неплохо зарекомендовал себя при создании небольших роботизированных платформ в качестве шасси повышенной маневренности. Однако, из за малого радиуса роликов, хорошо работает такой механизм только на гладких поверхностях. Также он не может обеспечить движение под углами к оси колеса, что существенно ограничивает его применяемость.

Еще одним примером механизма свободного перемещения является «Ортогональное колесо» (orthogonal wheel) [18], представленное на рис. 5. Данный механизм состоит из нескольких сферичных роликов, расположенных на поворотных кронштейнах. Кронштейны закреплены на приводных колесах, которые вращаются при помощи двигателя. Как правило, из соображений компактно-

сти, используются два ролика. Механизм является изотропным, позволяет добиться высокой плавности хода. Улучшение изотропных свойств возможно за счет применения роликов большего диаметра, однако это приводит к увеличению размеров механизма. Ортогональное колесо может быть компактным, однако, в таком случае, подходит только для гладких поверхностей. Более подробно механизм описан в научных статьях [19] и [20], основная область применения - малая робототехника, в качестве шасси.

Простейшим примером сферического механизма свободного перемещения является проект «Отш-БрИеге» [21], представленный на рис. 6.

Он представляет собой сферическое колесо, закрепленное при помощи системы роликов. Механизм имеет одну активную ось, вращение вокруг которой происходит за счет приводного двигателя и как минимум одну (или больше) пассивную ось, позволяющую переориентировать активную.

Рисунок 5 -

Ортогональное колесо

Рисунок 6 — Устройство « Отт'-яркеге»

Схема движения «Отгп-зрИеге» представлена на рис. 7. Механизм не является изотропным (рис. 8) из-за того, что при изменении направления движения происходит переориентация активной оси вращения, вследствие чего сложно добиться высокой плавности хода [22].

В ходе исследований выявилось два основных требования к сферическим механизмам свободного хода:

1. Отсутствие механических ограничений - механизм должен иметь возможность произвольного выбора направления вращения для смены направления движения.

2. Закрытая форма - сферическое колесо должно крепиться к платформе без ограничивающих перемещение механических креплений, но, однако, не должно от нее отпадать.

Теоретически, сферический механизм обеспечивает наилучшую производительность и свободу перемещений, однако, они сложны в изготовлении, а при их реализации накладываются большое количество ограничений.

Закрытые ролики

Рисунок 7— Схема движения устройства « Отп ¡-ярИеге »

▲

роботизированной платформы

1.3.2. Сферический двигатель внутреннего сгорания

Интересным изобретением с точки зрения обеспечения движения требуемого характера является сферический двигатель внутреннего сгорания (патент РФ № 222721 1 от 20.04.2004). На рис. 9 изображен роторный сферический двигатель в начале рабочего хода в одной рабочей камере.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение надежности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит разъемный корпус с установленными в нем двумя валами, оси которых пересекаются в центре сферической полости двигателя. Внутри полости размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними подвижная дисковая перегородка. Первый ротор является выходным, а второй ротор закреплен с

возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота. Причем роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема. Согласно изобретению, сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.

2 7 В 12 А & д

Рисунок 9 — Роторный сферический двигатель в начале рабочего хода в одной рабочей камере

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Известна роторная объемная машина (патент США № 463 1011 от 23.12.1986) [23], которая состоит из подвижного корпуса со сферической внутренней поверхностью, дисковой мембраной посередине и двумя противоположными отверстиями, через которые в середину корпуса проходят два вала, заканчивающиеся роторами в виде сферических сегментов. Снаружи валы подвижно закреплены в станине под углом друг к другу. От валов отходят вилки, которые посредством пальцев подвижно соединены с корпусом таким образом, что вилка и ротор на каждом из валов расположены в одной плоскости, а по отношению к вилке и ротору другого вала они развернуты перпендикулярно. Роторы образуют с корпусом и мембраной четыре камеры переменного объема. При помощи золотников, расположенных в роторах, и каналов в валах, роторах и мембране в этих камерах организуется рабочий процесс, в течение которого попарно противоположные камеры соединяются между собой через мембрану. Объемная машина, выполненная по такой схеме, имеет следующие недостатки. Во-первых, вилки и подвижный корпус машины следует защищать от повреждений дополнительным кожухом. Во-вторых, технологически тяжело изготовить вал воедино с ротором и вилкой, расположить золотники в роторах, а роторы в корпусе. В-третьих, консольно закрепленные валы испытывают значительные нагрузки. Однако самый главный недостаток - наличие избыточных кинематических связей, количество которых достигает 13. Это накладывает чрезвычайно высокие требования к точности изготовления и сборки машины, а также может привести к значительным силам трения и деформации во время ее работы. Если с целью изменения рабочего объема машины выполнить станину с возможностью изменения угла между осями за-

крепленных в ней валов, вероятность поломки еще более увеличится.

Задачей изобретения является уменьшение длины уплотнений рабочих камер роторного сферического двигателя и устранение вращательного движения его деталей относительно сопрягаемых с ними поверхностей трения путем размещения их во вращающейся гильзе, закрепленной на выходном валу.

1.3.3. Сферический двигатель «НиННп К^е1то1ог»

Герберт Хюттлин при участии специалистов Фрайбургского университета создал компактную сферическую комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электрогенератора, конструкция которого радикально отличается от конструкции современных двигателей, помимо этого, сферическая конструкция имеет значительно меньшее количество движущихся и трущихся частей. Конструкция двигателя «НииНп Kugelmotor» показана на рис. 10.

Основой двигателя являются две изогнутые двухпоршневые головки, раскачивающиеся на одной оси. Когда два поршня разных головок сведены вместе, то два других поршня разведены на максимальное расстояние. Двигатель работает как обычный четырехтактный двигатель, раскачивая обе головки. Но самым интересным, решением является способ преобразования колебательно-поступательного движения во вращательное. На вершине каждого из четырех поршней находится титановый шар, выполняющий роль шарикоподшипника. Этот шар движется по каналу сложной формы. В одной плоскости канал имеет форму круга, а в другой — синусоидальную форму. Раскачивание головок заставляет шары двигаться по каналу, совершая вращательное движение, «плавая» по каналу.

Рисунок 10 — Сферический двигатель «Huttlin Kugelmotor»

Рисунок 11 — Сферический двигатель «Huttlin Kugelmotor »

Канал для движения шаров-подшипников выточен в сферическом алюминиевом корпусе. На другой стороне этого корпуса расположен ряд постоянных магнитов, ориентированных вдоль оси вращения. Кольцо неподвижных электромагнитных катушек, расположенное поверх движущейся конструкции, взаимодействует с движущимся магнитным полем.

1.3.4. Воздушные подшипники

Машины типа «Воздушные подшипники» были проанализированы в [24]. Воздушный подшипник это по существу регулятор положения, который поддерживает ротор в состоянии равновесия. Также он оказывает и охлаждающий эффект, не мешая работе электромагнитной системы. Воздух под давлением поступает в подшипник, проходит через ограничитель, протекает через кольцевое пространство, а затем выходит в атмосферу. Для поддержания ротора в равновесии, воздушные подшипники расположены в вершинах правильных многогранников, вписанных в сферу статора, и имеют направление приложения сил из вершин к центру.

Еще один интересный подход к применению воздушных подшипников состоит создании комбинированного подвеса. Сжатый воздух подается через отверстие в центре полюса, создавая таким образом дополнительную поддерживающую силу. Преимущества комбинированного подвеса носит двойной характер. Во-первых, воздушная струя создает охлаждающий эффект для катушек полюсов. Во-вторых, оптимизация конструкции за счет увеличения поверхности полюсов и улучшения, тем самым, нагрузочной способности.

Моделирование в [24] показало, что воздушный подшипник помогает поддерживать сферический ротор в подвесе, несмотря на

изменяющийся вектор силы взаимодействия полюсов ротора и статора, однако экспериментальных исследований не проводилось.

1.4. Электромеханические мультикоординатные устройства

Согласно используемой классификации, электромеханические мультикоординатные устройства включают в себя устройства, в которых число степеней свобод, отличное от единицы, обеспечивается использованием единого электромеханического преобразователя. Рассмотрим некоторые варианты.

1.4.1. Асинхронные электромеханические мультикоординатные устройства

Считается, что асинхронные сферические электрические машины не имеют коммерческой, а, следовательно, практической ценности из-за высокой сложности изготовления ротора и неудовлетворительных сервохарактеристик асинхронных машин относительно машин с постоянными магнитами [25]. Однако, в данном направлении есть ряд интересных разработок, некоторые из которых достигли стадии прототипирования.

1.4.1.1. Асинхронная сферическая машина

Представляет интерес сферическая асинхронная электрическая машина совместной разработки исследователей из Бельгии и Польши.

Первый вариант такой асинхронной машины представлен на рис. 12.а. Ротор представляет собой сферу с прорезями на внешней поверхности. Обмотки представляют собой стержни из меди или другого диамагнетика. Второй вариант (на рис. 12.6) отличается тем, что ротор - гладкий, обмотка представляет собой тонкий слой меди.

Рисунок 12 — Сферический асинхронный двигатель

Ротор может быть расположен в центре статора, таким образом, чтобы расстояния между его поверхностью и поверхностью статора были постоянны, либо скользить по его внутренней поверхности статора. На статоре расположены диаметрально противоположные пары катушек, подключенные таким образом, чтобы создавать разноименные полюса.

Чтобы вызвать вращение ротора, статор должен иметь дополнительные элементы, которые вызывают смещение и вращение поля. Эти элементы представляют собой дополнительные магнитные цепи, содержащие выступы и вырезы в магнитопроводе. Элементы магнитопровода исследователи назвали модульными возбудителями. Представленный трехфазный сферический асинхронный двигатель имеет четыре симметрично расположенных модульных возбудителя с шестью вырезами каждый (рис. 12). Внешний радиус статора — 80 мм, внешний радиус ротора — 50 мм, воздушный зазор -0.4 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Липин, Артем Вадимович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липин А.В. Автоматизация вспомогательных операций при ведении буровых работ / А.В. Липин, А.П. Носков, Д.Е. Калагур,

B.А. Луценко, Е.А. Перминов // Сборник докладов студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава университета. По результатам III Всероссийской, 54 научно-практической конференции «РОССИЯ МОЛОДАЯ». - Кемерово: КузГТУ, 2009. -

C. 222-224.

2. Wang W. Design and control of a novel spherical permanent magnet actuator with three degrees of freedom / Wang J., Jewell G.W., Howe D. // IEEE Trans. Mechatronics. - 2003. - 457-468.

3. Wang W. Analysis, design and control of a novel spherical permanent-magnet actuator / Jewell G.W., Howe D. // IEE Proc. Electr. Power Appl. - 1998. - C. 61-71.

4. Mitchell J. K. Influence of an aperture on the performance of a two-degree-of-freedom iron-cored spherical permanent-magnet actuator / Jewell G. W., Wang J., Bingham C.M., Howe D. // IEEE Trans. Magnetics. - 2002. - C. 3650-3653.

5. Kaminski G. Induction motors with spherical rotor / Smak A // ICEM'04 Conf. Proc. - Cracow, 2004. - C. 56-69.

6. Sokolov S.M. Research of spherical direct drive actuators control systems / Trifonov O.V. and Yaroshevsky V.S. // IEEE Int. Conf. on Robotics & Automation. - Seoul, 2001.

7. Go S. C. Design Consideration of Back-EMF Constant for 3-DOF. Spherical PM Motor / Kang D. W., Im J. В., Lee J., Won S. H. Lim S. B. // Journal of Magnetics. - 2010. - №2. - C. 45-98.

8. Kahlen K. Torque control of a spherical machine with variable pole pitch / Voss I., Priebe C., De Doncker R.W. // IEEE Trans. Power Electron. - 2004,- C. 1628-1634.

9. Kahlen К. Current regulators for multi-phase permanent magnet spherical machines / De Doncker R.W. // IEEE Industry Applications Conf. Rec. - 2000. - C. 2011-2016.

10. Копылов И.П., Проектирование электрических машин 3-е изд., испр. и доп / Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. // -М.: Высш. шк. - 2002. - 757 с.

11. Max D.P. Simple multi-function vision system for 3D data acquisition. / Wallace R. S., Sokolov S. M. // Proceedings of ICAR 95, 7th International Conference on Advanced Robotics, Barcelona, Spain, 1995. - C. 674-678.

12. Max D.P.. Feedback Control of Miniature Direct Drive Devices / Wallace R. S. // Tech. Report 652, New York University, Computer Science, 1993.

13. Sokolov S.M. Control system design for sphericaldirect drive actuators with Hall sensors / Trifinov O.V.,Yaroshevsky V.S. // Proceedings of the International conference AIM'99. - C. 916-921.

14. Липин А.В. Актуальность и принципы функционирования устройства «Многокоординатный электродвигатель» // Вестник кузбасского государственного технического университета. — 2014. - №1. - С. 68-69.

15. Липин А.В. Актуальность и принципы функционирования устройства «Многокоординатный электромеханический преобразователь» // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: Труды Шестой Всероссийской научно-практической конференции. Под общей редакцией В.Ю. Островлянчика. — Новокузнецк: СибГИУ, 2014. - С. 57-63.

16. Byun K.S. Design of Continuous Alternate Wheels for Omnidirectional Mobile Robots / Kim S.J., Song J.B. // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Seoul, 2001.

17. Tadakuma K. Mechanical Design of "OmniBall": Spherical Wheel for Holonomic Omnidirectional Motion / Tadakuma R. // IEEE Conference on Automation Science and Engineering Mechatronics — Scottsdale, 2007. - C.132-144.

18. A. Price, RoboCup'97: An Omnidirectional Perspective / Jennings A., Kneen J. // Scottsdale, 1997.

19. Killough S. M. Design of an omnidirectional and holonomic wheeled platform prototype / Pin F. G. // IEEE International Conference on Robotics and Automation - Nice, 1992. - C. 237-236.

20. Ball D. Design of a Team of Soccer Playing Robots / Wyeth G., Cusack D. // Autonomous Minirobots for Research and Edutainment — Brisbane, 2003.

21.Urenboch S. Spherical mobility mechanism, US 074869,

2003.

22. Lauwers T.B. Dynamically Stable Single-Wheeled Mobile Robot with Inverse Mouse-Ball Drive / Kantor G.A., Hollis R.L. // Proc. ICRA 2006. - 2006. - C. 2884-2889.

23. Grabowiecki J. Vehicle-wheel, US № 463101 1, 1986.

24. Ezenekwe D.E. Design of air bearing system for fine motion application of multi-DOF spherical actuators / Lee K.M. // IEEE Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics - Atlanta, 1999. - C. 117-126.

25. Williams F. C. Development and design of spherical induction motors / Laithwaite E. R., Eastham J. F. // Proc. IEE. - 1992. - C. 471-484.

26. Spalek D. Spherical induction motor with ferrofluids in gap / Waleczek K. // ICEM'04 Conf. Proc. - Cracow, 2004. - C. 83-102.

27. Nethe A. Ferrofluids in electric motors — A numerical process model // Scholz T. Stahlmann H.D., Filtz M.// IEEE Trans. Magnetics. - 2002. - № 2. - C. 1 177-1 180.

28. Galary G. Finite element modeling of a two-degree of freedom spherical actuator / Dehez B. Grenier D. // ICEM'04 Conf. Proc. Conf. Proc. - Cracow, 2004. - C. 138-145.

29. Dehez B. Development of a spherical induction motor with two degrees of freedom / Galary G., Grenier D., Raucent B. // IEEE Trans, on Magnetics. - 2006. - №8. - C. 2077-2089.

30. Lee K.M. Kinematic analysis of a three degree-of-freedom spherical wrist actuator / Pei J. // Fifth Int. Conf. On Advanced Robotics - Atlanta, 1991. - C. 72-77.

31. Kumagai M. Development and Control of a Three DOF Planar Induction Motor / Hollis R.L. // ICRA 2013. - 2013. - C. 37573762.

32. Tanaka A. Proposal and design of multi-degree of freedom actuator / Watada M., Torii S., Ebihara D. // Proc. of 11th MAGDA Conference (in Japanese). - 2002. - C. 169-172.

33. Gofuku A. Development of a spherical motor to rotate in all directions / Nagai Т., Ikeshita S., Shibata M. and Kamegawa T. // Trans. Japan Society of Mechanical Engineers (in Japanese). - 2009. -C. 2713-2720.

34. Kanazawa H. Tribology of ultrasonic motor, Journal of Japanese Society of Tribologists (in Japanese) / Tsukimoto Т., Maeno T. Miyake A. // - 1993. - C. 207-212.

35. Соколов C.M. Система управления сферическим приводом прямого управления с датчиками Холла в контуре обратной связи / Трифонов О.В., Ярошевский B.C. // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. - 2008. - № 94. - 20 с.

36. Богомолов Н.Е. О точностных характеристиках дально-метрических обзорно-информационных систем робототехнических комплексов / Ярошевский B.C. // Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша AFI СССР. - 1982. - № 177. - 14 с.

37. Sokolov S.M. Improved Control System of the Spherical Direct Drive Actuators / Trifinov O.V., Yaroshevsky V.S. // Proceedings of the International conference Mechatronics 2000, Atlanta, 2000.

38. Sokolov S.M. Research of spherical direct drive actuators control systems Proc. of the Intern. / Trifinov O.V.,Yaroshevsky V.S. // Conf. ICRA2001. - Seul. - 2001. - C. 1673-1688.

39. Bederson B.B. A miniature pan-tilt actuator: the spherical pointing motor / Wallace R.S. Schwartz E.L. // IEEE Trans. Robotics & Automation. - 1994. - № 3. - C. 298-308.

40. Bederson B.B. A miniaturized active vision system / Wallace R.S., Schwartz E.L. // 11th Int. Conf. On pattern Recognotion, 1992.

41. Bederson B.B. Two miniature pantilt devices / Wallace R.S., Schwartz E.L. // IEEE Int. Conf. On Robotics and Automation, 1 992.

42. Bederson B.B. Control and design of the spherical pointing motor / Wallace R.S., Schwartz E.L. // IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1993.

43. Bederson B.B. Spherical pointing motor / Wallace R.S., Schwartz E.L. // Tech. Report, U.S. Patent Number 5,204,573, 1993.

44. Zhu Z.Q. Halbach permanent magnet machines and applications: a review / Howe D. // IEE Proc.- Electr. Power Appl. — 2001. — C. 299-308.

45. Lee H. J. Analysis Torque Characteristics and Improved Efficiency of Permanent Magnet Multi-DOF Spherical Motor. / Kim Y., Jang I. S., Park H. J., Kang D. W., Won S. H., Lee J. // Scheduled Journal of KIEE. - 2012. - №1. - C. 312-224.

46. Kang D. W. Method of Current Compensation for Reducing Error of Holding Torque of Permanent-Magnet Spherical Wheel Motor / Kim W. H., Go S. C., Jin C. S., Won S. H., Koo D. H., Lee J. // IEEE Transactions on Magnetics. - 2009. - №6. - C. 2819-2822.

47. Зориктуев В.Ц. Интегрированное интеллектуальное управление и диагностика мехатронных станочных систем / Лютов А.Г., Никитин Ю.А. // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2005. - № 8. - С. 26-30.

48. Shunangxia N. Analysis of Eddy-Current Loss in a DoubleStator Cup-Rotor PM Machine / Chau К. T., Jiang J. Z. // IEEE Transaction on Magnetics. - 2008. - №11. - C. 4401-4404.

49. Bendito E., Computational cost of the Fekete problem II: on Smale's 7th problem / Carmona A., Encinas A.M., Gesto J.M. // preprint. — URL:http://wwwma3 .upc.es/ users/bencar/articulos/ YJCPH2424.pdf (дата обращения: 27.09.2011).

50. Копытов H.П. Универсальный алгоритм равномерного распределения точек на произвольных аналитических поверхностях в трехмерном пространстве / Митюшов Е.А. // Журнал «Фундаментальные исследования». - №4. - 2013. - С. 618-622.

51. Липин А.В. Разработка математической модели взаимодействия постоянного магнита и электромагнита // Вестник кузбасского государственного технического университета. - 2014. -№1. - С. 65-68.

52. Трофимова Т.И. Курс физики. 11-е изд., стер. - М.: 2006. - 560 с.

53. Ландау Л.Д. Теоретическая физика / Лифшиц Е.М. // ГИТТЛ 1948 (том 5.1) - 567 с.

54. Астахов А. В. Курс физики, T. II, Электромагнитное иоле / Широков Ю. М. // - М.: Наука. - 1980. - 360 с.

55. Бахвалов Н. С. Численные методы. / Жидков Н. П., Кобельков Г. Г. // - М.: Лаборатория Базовых Знаний. - 2000. - 378 с.

56. Липин А.В. Разработка математической модели устройства «Мультикоординатный электромеханический преобразователь» // Роль науки в развитии общества: сборник статей студен-

тов аспирантов, молодых ученых и преподавателей. - Уфа: Аэтер-на, 2015. - С. 21-23.

57. Ильин В. А. Линейная алгебра: Учебник для вузов / По-зняк Э. Г. - 6-е изд., стер. - М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2004. - 280 с.

58. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. / Корн Т. // — М.: Наука, 1970. - С. 575-576.

59. Амосов А. А. Вычислительные методы для инженеров. / Дубинский Ю. А., Копченова Н. П. // - М.: Мир, 1998.

60. Chirikjian G. S. Kinematic design and commutation of a spherical stepper motor / Stein D. //IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. - 1999. - C. 342-353.

61. Купер Л. Физика для всех. Том 1. Пер. с англ. под ред. Ю. А. Кравцова // - М.: Мир, 1973. - 480 с.

62. Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Изд. 4-е, стереотипное // - М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. - T. III. Электричество. — 656 с.

63. Сидоров А.С. Мониторинг и прогнозирование износа режущего инструмента в мехатронных станочных системах: дисс. канд. техн. наук. - Уфа, 2007. — 201 с.

64. Липин А.В. Разработка алгоритмов управления устройством «Мультикоординатный электромеханический преобразователь» / А.В. Липин, И.Ю. Семыкина, Г.А. Липина // Вестник кузбасского государственного технического университета. — 2015. — №2. - С. 116-119.

65. Захаров АЛО. Системы магнитного подвеса в ленточных конвейерах для транспортирования крупнокусковой горной массы // Кемерово: КузГТУ. - 2001. - 383 с.

66. Денисов В.А. Исследование динамической модели электромеханической части системы компенсации износа режущего

инструмента / Жуков А.В. // Вектор науки ТГУ. - 2011. №3(17). -С. 56-59.

67. Чиликин М.Г. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. - М.: Энергия, 1971. - 624 с.

68. Kamalasadan S. An adaptive position tracking controller for permanent magnetic stepper motors / Adel A., Ghandakly A. // Proceedings of International Conference on Automatic Control "Automatica 2002". - Santiago de Cuba, 2002. - C. 176-192.

69. Yano T. Basic characteristics of the small spherical stepping motor / Suzuki T. // Proc. of 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS'02). - 2002. - C. 1980-1985.

70. Панкратов В.А. Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза // Электронные компоненты. — 2007. — №2. - 348 с.

71. Lee К.М. Design concept development of a spherical stepper motor for robotic applications / Kwan C.K. // IEEE Trans, on Robotics and Automation. - 1991. - C. 1758-181.

72. Lee K.M. Design concept development of a spherical stepper for robotic applications / Kwan C. // IEEE Transactions on Robotics and Automation. - 1991. - C. 175-181.

73. Сипайлов Г.А. Электрические машины (специальный курс) / Кононенко Е.В., Хорьков К.А. // Высшая школа, М.: 1987. -521 с.

74. Кормен Т. X. Алгоритмы: построение и анализ, 3-е издание / Лейзерсон Ч. П., Ривест Р. Л. Штайн К. // Introduction to Algorithms, Third Edition. - M.: «Вильяме», 2013. - 1328 с.

75. Мозговой M.C. Занимательное программирование: Самоучитель. - СПб: Питер. - 2004. - 208 с.

76. Ананий B.C. Метод уменьшения размера задачи: Алгоритмы: введение в разработку и анализ. - М.: «Вильяме». - 2006. — С. 212-215.

77. Кормен Т.М. Элементарные алгоритмы для работы с графами / Лейзерсон Ч.З., Ривест Р.Т. // Алгоритмы: построение и анализ (второе издание). - М.: «Вильяме». - 2005. - С. 622-632.

78. Кажаров А.А. О некоторых модификациях муравьиного алгоритма / Курейчик В.М. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2008. — С. 7-12.

79. Дробкин Б.З. Высоковольтные тиристорные преобразователи ОАО «Электросила» / Карзунов Р.А., Крутяков Е.А., Павлов П.А., Пронин М.В. // Электротехника. — 2003.

80. Кажаров А.А. Использование шаблонных решений в муравьиных алгоритмах // Курейчик В.М. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — 2013. - № 7. — С.. 17-22.

81. Dorigo М. Ant Colony System : A Cooperative Learning Approach to the Traveling Salesman Problem / Gambardella L.M. // IEEE Transactions on Evolutionary Computation. — 1997. — C. 53-66.

82. Colorni A. Distributed Optimization by Ant Colonies / Dorigo M. Maniezzo V. // conference euro artificially, Paris, 1997. — C. 134-142.

83. Stutzle T. MAX MIN Ant System / Hoos H.H. //, Future Generation Computer Systems. - 2000. - C. 889-914.

84. Nagarajan U. Planning in high-dimensional shape space for a single-wheeled balancing mobile robot with arms / Kim В., Hollis R. // Proc. ICRA 2012. - 2012. - C.130-135.

85. Kumagai M. Development of a robot balanced on a ball -Application of passive motion to transport / Ochiai T. // Proc. ICRA 2009. - 2009. - С/. 4106-41 11.

86. Kumagai M. Development of a Robot Balanced on a Ball — First Report, Implementation of the Robot and Basic Control // Ochiai T. // Journal of Robotics and Mechatronics. - 2010. - №3. - C. 348355.

87. Persson M. Soft Magnetic Composites Materials - Use for Electrical Machines / Jansson P., Jack A. G., Mecrow В. C. // Conference Publication «Electrical Machines and Drives». — 1995. - №412. — C. 242-246.

88. Липин А.В. Разработка методов и средств для повышения энергоэффективности складских мобильных роботов / А.В. Липин, А.П. Носков, Д.Е. Калагур // Сборник докладов студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава университета. По результатам III Всероссийской, 56 научно-практической конференции «РОССИЯ МОЛОДАЯ». - Кемерово: КузГТУ, 2011. - С. 101-102.

89. Kumagai М. Development of a Linear Induction Motor and a Vector Control Driver // SICE Tohoku chapter workshop material. — 2010. - C. 262-269.

90. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств M: Энергия 1978,/Дулин В.Н., Жук М.С. - 303 с.

91. Коршунов А.И. Непрерывная модель трехфазного контура регулирования тока синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе //Силовая электроника. - 2007. №4. - 163 с.

92. Asada Н. Direct Drive Robots: Theory and Practice / Youcef-Toumi K. // MITPress, Cambridge, MA, 1986.

93. Hollis R.L. A six degree of freedom and magnetically levitated variable compliance fine motion wrist: Design, modeling and control / Salcudean S.E. Allen A.P. // IEEE Transactions on Robotics and Automation . - 1991. - C. 320-332.

94. Levitt T. S. Qualitative Navigation for Mobile Robots / Law-ton D. T. // In Artificial Intelligence 44, Elsivier Science Publishers B.V. (North-Holland). - 1990. - № 3. - C. 305-360.

95. Lee K. M. A Real-Time Optical Sensor for Simultaneous Measurement of 3-DOF Motions / Zhou D. // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. - 2004. - №3. - C. 499-507.

96. Kumagai M. Development of a three-dimensional ball rotation sensing system using optical sensors / Hollis R.L. // ICRA 2011. - 2011. - C. 5038-5043.