Виртуальное прототипирование и планирование траектории промышленного робота

Засыпкин Ю.В., Городинов В.Д., Куц М.С.

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва

Ключевые слова: оптимизация траектории, динамическое моделирование, метод минимальных координат, оптимизация робота, динамика многотельных систем, манипулятор типа SCARA.

Аннотация. Работа посвящена проблеме повышения эффективности функционирования промышленных роботов на ранних стадиях проектирования с использованием методов виртуального прототипирования. Рассматривается задача построения оптимальной по времени траектории движения манипулятора типа SCARA с учетом полных нелинейных динамических уравнений и ограничений на скорости и моменты в приводах робота. Для решения задачи разработана численная модель основная на отрытом фреймворке для динамического моделирования многотельных систем Exudyn. Алгоритм планирования траектории базируется на методе двухпроходного интегрирования профиля скорости вдоль заданного геометрического пути. В ходе численных экспериментов исследовано влияние кривизны геометрического пути на общее время выполнения операции. Выявлен нетривиальный эффект: кинематически кратчайший путь не является оптимальным по времени из-за динамических ограничений системы. Показано, что использование траектории с отрицательной кривизной (минус 0,06 м) позволяет сократить время движения за счет более эффективного использования скоростного потенциала приводов и перераспределения динамических нагрузок. Результаты подтверждают необходимость интеграции алгоритмов планирования траектории непосредственно в процесс разработки электромеханической структуры робота, что позволяет обоснованно выбирать параметры приводов и избегать неэффективных режимов работы.

Virtual prototyping and trajectory planning for an industrial robot

Zasypkin Yu.V., Gorodinov V.D., Kuts M.S.

Bauman Moscow State Technical University, Moscow

Keywords: trajectory optimization, dynamic modeling, minimal coordinate method, robot optimization, multibody dynamics, SCARA manipulator.

Abstract. The work addresses the problem of improving the efficiency of industrial robots at the early design stages using virtual prototyping methods. The task of constructing a time-optimal motion trajectory for a SCARA-type manipulator is considered, taking into account the complete nonlinear dynamic equations and constraints on the robot's actuator velocities and torques. To solve the problem, a numerical model was developed based on the open-source framework for dynamic modeling of multibody systems, Exudyn. The trajectory planning algorithm is based on the method of two-pass integration of the velocity profile along a given geometric path. During numerical experiments, the influence of the geometric path curvature on the total operation time was investigated. A non-trivial effect was revealed: the kinematically shortest path is not time-optimal due to the system's dynamic constraints. It is shown that using a trajectory with negative curvature (minus 0.06 m) allows for a reduction in movement time by more efficiently utilizing velocity potential of actuators and redistributing dynamic loads. The results confirm the necessity of integrating trajectory planning algorithms directly into the robot's electromechanical structure development process, enabling a well-founded selection of actuator parameters and avoiding inefficient operating modes.