Многозвенный комбинированный манипулятор для рубок ухода за лесом

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.

1. Алябьев 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.

2. Анисимов С.Е. Обоснование конструкции и параметров манипулятора машины для рубок прореживания и проходных: дисс. ... канд. техн. наук. ЙошкарОла, 2000. 240 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Емтыль З.К. Совершенствование кинематики, динамики и конструкции лесопромышленных гидроманипуляторов: дисс. … д-ра техн. наук. Воронеж, 2002. 439 с.

7. Ермалицкий А.А. Результаты экспериментальных исследований процесса погрузки сортиментов навесными гидроманипуляторами // Труды БГТУ. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2010. № 2. С. 65–70.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Черник А.В., Смирнов Н.А. Кинематический и динамический расчёт сбалансированного манипулятора методами САПР // Механики XXI веку. 2009. № 8. С. 71–74.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Huynh H. et al. Modelling the dynamics of industrial robots for milling operations // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2020. Vol. 61. P. 16.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Nof S. Y. Handbook of Industrial Robotics. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1999. P. 1378.

21. Xu P. et al Novel hybrid robot and its processes for precision polishing of freeform surfaces // Precision Engineering. 2020. Vol. 64. P. 53–62.