ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2024.250.238-251isplta-390Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОЗАГОТОВОКTECHNOLOGY AND EQUIPMENT OF LOGGING INDUSTRIESМногозвенный комбинированный манипулятор для рубок ухода за лесомMulti-link combination manipulator for care thinninghttps://orcid.org/0000-0003-3332-0927АнисимовС. Е.AnisimovS. E.

Анисимов Сергей Евгеньевич – доцент, кандидат технических наук

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

Anisimov Sergey E. – PhD (Technical), Associate Professor

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

 

anisimovsevolgatech@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5695-3028ЦаревЕ. М.CarevE. M.

Царев Евгений Михайлович – профессор кафедры  лесопромышленных и химических технологий, доцент, доктор технических наук

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

 

Carev Evgeny M. – DSc (Technical), Professor of the Department of Forestry and Chemical Technologies 

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

 

carevEM@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0002-9956-5081РукомойниковК. П.RukomojnikovK. P.

Рукомойников Константин Павлович – профессор кафедры лесопромышленных и химических технологий, доктор технических наук, доцент 

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

Rukomojnikov Konstantin P. – DSc (Technical), Professor of the Department of Forestry and Chemical Technologies, Associate Professor

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

 

rukomojnikovkp@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0002-9528-8988АнисимовИ. С.AnisimovI. S.

Анисимов Илья Сергеевич – студент

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

Anisimov Ilia S. – student

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

 

kukri-machete-00@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8465-261XАнисимовН. С.AnisimovN. S.

Анисимов Никита Сергеевич – студент

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

Anisimov Nikita S. – student

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

nikita_anisimov2000@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2564-0832МакаровВ. Е.MakarovV. E.

Макаров Владимир Евгеньевич – заместитель директора института механики и машиностроения

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

 

Makarov Vladimir E. – Deputy Director of the Institute of Mechanics and Mechanical Engineering

424000. Lenin sq. 3. Yoshkar-Ola

 

ooo.mcps.13@mail.ruПоволжский государственный технологический университетРоссияVolga State University of TechnologyRussian Federation2024261120240250238251Copyright © Анисимов С.Е., Царев Е.М., Рукомойников К.П., Анисимов И.С., Анисимов Н.С., Макаров В.Е., 20242024Анисимов С.Е., Царев Е.М., Рукомойников К.П., Анисимов И.С., Анисимов Н.С., Макаров В.Е.Anisimov S.E., Carev E.M., Rukomojnikov K.P., Anisimov I.S., Anisimov N.S., Makarov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/390

В статье рассмотрены варианты модернизации конструкции манипулятора лесозаготовительной машины для реализации способа обработки деревьев сверху вниз путем многоступенчатой раскряжевки деревьев по высоте, заканчивающейся отделением дерева от пня. Целью исследований являлась разработка и анализ конструкции многозвенного комбинированного манипулятора с выдвижением рабочего органа на расстояние достигающее 18 м. Были предложены конструкции манипулятора с модернизацией шарнирно-сочлененной фермы путем ввода дополнительных звеньев и образованием пантографных механизмов. Показаны структурно-кинематические схемы двух вариантов многозвенных комбинированных манипуляторов. Представлены экспериментальные модели предложенных конструкций многозвенных комбинированных манипуляторов с изменением их длины. Приводятся фотографии физических моделей экспериментальных манипуляторов, собранных для доказательства полученных теоретических результатов. Для эксперимента использовались модели манипуляторов масштабом 1:10. Для возможности быстрого изменения положения конструкции шарнирно-сочлененной фермы и ее фиксации использовался раздвижной стержень со ступенчатым фиксатором (шаг фиксации 5 мм), имитирующий работу гидроцилиндров манипулятора. На основе проведенных структурных анализов кинематических схем многозвенных комбинированных манипуляторов было найдено решение конструкции шарнирно-сочлененной фермы телескопической рукояти манипулятора за счет добавления дополнительных рычагов, образующих пантографные механизмы выдвижения подвижных секций. Путем математических расчетов доказано, что использование шарнирно-сочлененной фермы в качестве механизма выдвижения подвижных секций создает условия для увеличения вылета манипулятора с сохранением транспортно-энергетического модуля унифицированным без применения дополнительных гидроцилиндров и канатно-блочных систем. Структурный анализ показал, что предложенная структура манипулятора с пантографным механизмом выдвижения подвижных секций телескопической рукояти является работоспособной.

The article considers options for modernizing the design of the manipulator of a logging machine to implement a method of processing trees upside down by multistage bucking of trees in height, ending with the separation of the tree from the stump. The purpose of the research was to develop and analyze the design of a multi-link combined manipulator with the extension of the working body to a distance of more than 18 m. Manipulator designs were proposed with the modernization of the articulated truss by introducing additional links and the formation of pantograph mechanisms. The structural and kinematic schemes of two variants of multi-link combined manipulators are shown. Experimental models of the proposed designs of multi-link combined manipulators with a change in their length are presented. Photographs of physical models of experimental manipulators collected to prove the theoretical results are presented. Models of manipulators with scale of 1:10 were used for the experiment. For the possibility of quickly changing the position of the articulated truss structure and fixing it, a sliding rod with a stepped retainer (fixing step of 5 mm) was used, simulating the operation of the manipulator hydraulic cylinders. Based on the structural analyses of kinematic schemes of multi-link combined manipulators, a solution was found to the design of the articulated truss of the telescopic arm of the manipulator by adding additional levers forming pantographic mechanisms for extending movable sections. It is proved by mathematical calculations that the use of an articulated truss as a mechanism for extending movable sections creates conditions for increasing the output of the manipulator while maintaining a unified transport and energy module without the use of additional hydraulic cylinders and rope-block systems. Structural analysis has shown that the proposed structure of the manipulator with a pantograph mechanism for extending the movable sections of the telescopic handle is workable.

многозвенный манипуляторкомбинированный манипуляторшарнирно-сочлененная фермаструктурный анализсортиментная технологияmulti-link manipulatorcombined manipulatorarticulated trussstructural analysisassortment technologyИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-26-00129, https://rscf.ru/project/24-26- 00129/ReferencesАлябьев А.Ф., Котиев Г.О., Караваев А.М. Разработка требований назначения к технологическому оборудованию лесной погрузочно-транспортной машины // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2020. № 164. С. 86–100.Alyabiev A.F., Kotiev G.O., Karavaev A.M. Development of destination requirements for technological equipment for a forest loading and transport vehicle. Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], 2020, no. 164, pp. 86–100. URL: https://doi.org/10.21515/1990-4665-164-006 (In Russ.)Анисимов С.Е. Обоснование конструкции и параметров манипулятора машины для рубок прореживания и проходных: дисс. ... канд. техн. наук. ЙошкарОла, 2000. 240 с.Anisimov S.E. Substantiation of the design and parameters of the machine manipulator for thinning and walk-through fellings: Cand. Sci. Diss. Yoshkar-Ola, 2000. 240 p. (In Russ.)Анисимов С.Е., Мазуркин П.М. Многозвенные манипуляторы: научное издание / М-во образования Рос. Федерации, Мар. гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. 73 с.Anisimov S.E., Mazurkin P.M. Multi-link manipulators: scientific publication / Ministry of Education Ros. Federation, Mar. state tech. un-t. Yoshkar-Ola: MarSTU, 2003. 73 p. (In Russ.)Бартенев И.М., Емтыль З.К., Татаренко А.П., Драпалюк М.В., Попиков П.И., Бухтояров Л.Д. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование. М.: ООО «ФЛИНТА», 2011. 408 с.Bartenev I.M., Emtyl Z.K., Tatarenko A.P., Drapalyuk M.V., Popikov P.I., Bukhtoyarov L.D. Hydraulic manipulators and forest processing equipment. M.: Limited Liability Company «FLINTA», 2011. 408 p. (In Russ.)Добрачев А.А., Раевская Л.Т., Швец А.В. Исследование кинематики работы звеньев манипулятора в обобщенном виде // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. 2008. № 3. С. 118–121.Chernik A.V., Smirnov N.A. Kinematic and dynamic calculation of a balanced manipulator by CAD methods. Mechanics of the XXI century, 2009, no. 8, pp. 71–74. (In Russ.)Емтыль З.К. Совершенствование кинематики, динамики и конструкции лесопромышленных гидроманипуляторов: дисс. … д-ра техн. наук. Воронеж, 2002. 439 с.Dobrachev A.A., Raevskaya L.T., Shvets A.V. Study of the kinematics of the operation of the manipulator links in a generalized form. Lesnoj vestnik [Forestry Bulletin], 2008, no. 3, pp. 118–121. (In Russ.)Ермалицкий А.А. Результаты экспериментальных исследований процесса погрузки сортиментов навесными гидроманипуляторами // Труды БГТУ. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2010. № 2. С. 65–70.Emtyl Z.K. Improvement of kinematics, dynamics and design of forestry hydraulic manipulators: Doc. Sci. Diss. Voronezh, 2002. 439 p. (In Russ.)Кононович Д.А., Мохов С.П., Арико С.Е., Голякевич С.А. Особенности конструкционного исполнения технологического оборудования лесных погрузочно-транспортных машин // Труды БГТУ. 2015. № 2.Ermalitsky A.A. The results of experimental studies of the process of loading assortments by mounted hydraulic manipulators. Works BSTU: Forest and wood industry, 2010, no. 2, pp. 65–70. (In Russ.)Лесная и деревообрабатывающая промышленность. № 2(175). С. 59–62. Матвеенко В.И. Погрузочно-разгрузочный манипулятор // Инновационное развитие подъемно-транспортной техники: матер. Всерос. науч.-практич. конференции, Брянск, 27–28 мая 2021 года, Брянск: БГТУ, 2021. С. 93–100.Huang Z., Yao Y.L. A new closed-form kinematics of the generalized 3-dof spherical parallel manipulator. Robotica, 1999, vol. 17, no. 5, pp. 475–485.Патент № 2768059 РФ, МПК B66C 23/44. Кран-манипулятор с расширенной зоной действия: № 2021127721 / И.А. Несмиянов, М.Е. Николаев, В.В. Жога; заявл. 20.09.2021: опубл. 23.03.2022.Huynh H. et al. Modelling the dynamics of industrial robots for milling operations. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2020, vol. 61, p. 16.Полетайкин В.Ф., Иванов С.Г. Расчетная схема технологического оборудования лесных машин. Лесной и химический комплексы – проблемы и решения : сб. матер. по итогам Всерос. науч.-практич. конференции. Красноярск: СибГТУ, 2017. С. 256–258.Jagdish Dr., Prajapati M. et al. Synthesis of Parallel Mechanism Based Robot Manipulators from Structural Point of View. International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 2011, vol. 3, no. 2, pp. 1228–1232.Черник А.В., Смирнов Н.А. Кинематический и динамический расчёт сбалансированного манипулятора методами САПР // Механики XXI веку. 2009. № 8. С. 71–74.Karkalos N.E., Markopoulos A.P., Dossis M.F. Optimal model parameters of inverse kinematics solution of a 3r robotic manipulator using and models. International journal of manufacturing, materials, and mechanical engineering, 2017, vol. 7, no. 3, pp. 20–40.Швец А.В. Обоснование основных параметров манипулятора для лесной промышленности // Леса России в XXI веке: матер. Первой Междунар. науч.- практич. интернет-конференции, Санкт-Петербург, 30 июня 2009 года. СПб.: СПбГЛТУ, 2009. С. 222–225.Kong X., Gosselin C. Generation of parallel manipulators witch three translational degrees of freedom based on screw theory, Proceedings of 2001 CCToMMSyn-posium on Mechanisms, Machines and Mechatronics. Saint-Hubert, Montreal, Canada, 2001.Шегельман И.Р., Будник П.В. Обоснование вылета манипулятора и режимов работы валочно-трелевочно-процессорной машины // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2011. № 4(117). С. 81–83.Kononovich D.A., Mokhov S.P., Ariko S.E., Golyakevich S.A. Features of the structural design of the technological equipment of forest loading and transport vehicles. Works BSTU: Forest and wood industry, 2015, no. 2 (175), pp. 59–62. (In Russ.)Huang Z., Yao Y.L. A new closed-form kinematics of the generalized 3-dof spherical parallel manipulator // Robotica. 1999. Vol. 17, no. 5. P. 475–485.Matveenko V.I. Loading and unloading manipulator. Innovative development of material handling equipment: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference, Bryansk, May 27–28, 2021, 2021. pp. 93–100. (In Russ.)Huynh H. et al. Modelling the dynamics of industrial robots for milling operations // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2020. Vol. 61. P. 16.Nesmiyanov I.A., Nikolaev M.E., Zhoga V.V. Extended reach crane. Patent RF, no. RU 2768059 С1, 2021. (In Russ.)Jagdish Dr., Prajapati M. et al. Synthesis of Parallel Mechanism Based Robot Manipulators from Structural Point of View // International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST). 2011. Vol. 3, no. 2. P. 1228–1232.Nof S.Y. Handbook of Industrial Robotics. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1999, p. 1378.Karkalos N.E., Markopoulos A.P., Dossis M.F. Optimal model parameters of inverse kinematics solution of a 3r robotic manipulator using and models // International journal of manufacturing, materials, and mechanical engineering. 2017. Vol. 7, no. 3. P. 20–40.Poletaykin V.F., Ivanov S.G. Settlement scheme of processing equipment of forest cars. Forest and chemical complexes – problems and solutions: Collection of materials on the results of the All-Russian scientific and practical conference. Krasnoyarsk: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Publ., 2017, pp. 256–258. (In Russ.)Kong X., Gosselin C. Generation of parallel manipulators witch three translational degrees of freedom based on screw theory // Proceedings of 2001 CCToMMSyn-posium on Mechanisms, Machines and Mechatronics. Saint-Hubert, Montreal, Canada. 2001.Shegelman I. R., Budnik, P.V. Justification of the departure of the manipulator and the modes of operation of the feller-logging-processor machine. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta [Scientific notes of Petrozavodsk State University], 2011, no. 4(117), pp. 81–83. (In Russ.)Nof S. Y. Handbook of Industrial Robotics. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1999. P. 1378.Shvets A.V. Justification of the main parameters of the manipulator for the timber industry. Forests of Russia in the 21st century: materials of the First international scientific and practical Internet conference, St. Petersburg, June 30, 2009, pp. 222–225. (In Russ.)Xu P. et al Novel hybrid robot and its processes for precision polishing of freeform surfaces // Precision Engineering. 2020. Vol. 64. P. 53–62.Xu P. et al Novel hybrid robot and its processes for precision polishing of freeform surfaces. Precision Engineering, 2020, vol. 64, рp. 53–62

The authors declare that there are no conflicts of interest present.