Динамика мобильной трехзвенной механической системы при движении по горизонтальной шероховатой плоскости

Исследования в области создания механизмов, имитирующих поведение реальных биологических прототипов — новое, активно развивающееся направление развития науки. Имитация или копирование принципов поведения живых организмов позволяет создавать устройства, обладающие уникальными свойствами, которые находят конкретное практическое применение. Именно к таким устройствам относятся «змееподобные» роботы. В дальнейшем под змееподобным роботом будем понимать совокупность твердых тел связанных между собой шарнирами, которые оснащены приводами вращательного движения, позволяющими совершать звеньям относительное движение. В результате взаимодействия звеньев с опорной поверхностью механическая система совершает некоторое движение в определенном направлении.

Первые змееподобные роботы были созданы еще в 70-х годах XX века в Японии. На сегодняшний день создано немало устройств, имитирующих движение змей. Такие устройства имеют различную структуру, различные компоненты, однако, все они стремятся как можно больше приблизиться к движению реальных объектов. Вначале змееподобные роботы имели значительные габаритные размеры, развивали очень маленькую скорость, но затем, с развитием техники эти проблемы начали решаться. Однако, до сих пор не создано устройств, полностью копирующих особенности движения реальных змей.

К достоинствам змееподобных роботов можно отнести то, что они способны перемещаться по неровной поверхности, подниматься на высоты, сравнимые с их собственной длиной, а также перемещаться по мягким или вязким материалам и т. д.

Для осуществления движения они способны создавать распределенные усилия по всей своей длине, обладают низким энергопотреблением при движении одного звена и в целом всей конструкции. Небольшая ширина и высота змееподобных роботов позволяет им осуществлять движение в областях, недоступных для движения других типов роботов, таких как шагающие, колесные и другие типы роботов.

Избыточность конструкции приводит к тому, что потеря функционирования некоторых из элементов устройства может быть скомпенсирована, однако, эффективность движения всего объекта все же будет в некоторой степени потеряна.

Основными недостатками змееподобных роботов является то, что они двигаются медленнее, чем колесные роботы. Однако, как известно, скорость живых прототипов достигает 3 м/с, это позволяет говорить о том, что при создании более совершенной конструкции роботов на основе новых технических решений и эффективных систем управления удастся приблизиться к скоростям биологических аналогов.

Такие устройства могут найти чрезвычайно широкую область применения. Они могут использоваться в медицине, в поисково-спасательных операциях, в областях, связанных с инспектированием трубопроводов, в строительстве, при диагностике мостов и т. д.

Исследование режимов движения мобильных многозвенных систем основывается на работах Ф. Л. Черноусько, H.H. Болотника, Т. Ю. Фигуриной, В. Г. Градецкого, Ю. Г. Мартыненко, A.A. Иванова, А. П. Карпенко, А. Хиросе, К. Циммермана, И. Зейдиса и других [11, 12, 18, 20, 46, 52]. В тоже время вопросы моделирования динамики движения изучены недостаточно. Не исследовано поведение систем при ограниченной мощности электропривода, а также резонансные режимы движения, и режимы движения с остановками. Для решения этих задач необходимо разработать соответствующие математические модели, на основе которых, изучить особенности и динамические закономерности различных режимов движения, что позволит выработать рекомендации по повышению эффективности мобильных многозвенных систем.

Объект исследования. Мобильная механическая система, состоящая из трех недеформируемых звеньев, связанных между собой цилиндрическими шарнирами, оснащенными управляемыми электроприводами вращательного движения.

Предмет исследования. Динамические процессы, протекающие в мобильной электромеханической системе, в которую входят: три твердых тела, связанных между собой электроприводаминедеформируемая шероховатая поверхность на которую опираются теласистема управления движением.

Цель работы. Создание научных основ и инструментальных средств проектирования змееподобного робота, представляемого в виде мобильной трехзвенной системы, на основе математических моделей динамического движения. Для достижения данной цели сформулированы следующие основные задачи:

— разработка математической модели многозвенной системы перемещающейся по шероховатой плоскости за счет движения внешних звеньев относительно корпуса;

— разработка математической модели взаимодействия многозвенной системы с шероховатой поверхностью, учитывающей режимы периодической остановки и движения звеньев;

— изучение закономерностей прямолинейного и криволинейного движения трехзвенной механической системы при синхронном и асинхронном управляющем воздействии на внешние ее звеньясоздание экспериментального стенда и проведение исследований закономерностей различных режимов движения змееподобного робота;

— разработка методики и инструментальных средств проектирования мобильного трехзвенного робота с рекомендациями по их внедрению.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы теоретической механики, теории колебаний, численные методы, теория электропривода, теория планирования эксперимента, метод конечных элементов.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Достоверность результатов подтверждается адекватностью математических моделей и натурных образцовдостаточным объемом измерений, обеспечивающим относительную погрешность не более 18%- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований и эффективной эксплуатацией опытного оборудования.

Научная новизна:

— разработана математическая модель, описывающая динамику движения мобильного трехзвенного робота, перемещающегося по шероховатой плоскости за счет управления силами трения при перемещении внешних звеньев. Выявлены закономерности позволяющие установить связь между заданными углами относительного вращательного движения и координатами центра масс звеньев системы;

— разработана математическая модель взаимодействия корпуса многозвенного робота с шероховатой горизонтальной плоскостью, учитывающая режимы остановки и движения звеньев, где сформулированы условия перехода системы из режима остановки в движение звеньев и оборатно. Определена область параметров, обеспечивающих различные режимы движения механической системы;

— выявлены основные закономерности прямолинейного и криволинейного движения робота при синхронном и асинхронном управляющем воздействии на внешние звенья системыопределена область параметров системы управления движением, обеспечивающих наилучшие качественные показатели работы по критерию минимального отклонения от заданной траектории.

Практическая ценность. В результате исследований предложена новая конструкция мобильного робота для пожаротушения. Разработана методика и инструментальные средства проектирования змееподобных роботов, позволяющая на основе математического моделирования динамических процессов в электроприводах, определять оптимальные параметры противопожарного робота и его системы управления. Результаты работы используются в НИЦ (г. Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ и учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ.

Личный вклад автора.

1. Выявлено перспективное направление совершенствования мобильных роботов, основанное на применении змееподобного принципа движения и разработана конструкция трехзвенного ползающего робота, выполненного на базе двух сервоприводов.

2. Разработана математическая модель плоского движения ползающего трехзвенного робота и получены дифференциальные уравнения, описывающие как состояния покоя, так и режим движения по опорной шероховатой плоскости.

3. Разработан алгоритм численного интегрирования дифференциальных уравнений движения для случаев, когда отдельные звенья робота остаются неподвижными или двигаются по поверхности, а также сформулированы условия начала движения отдельных элементов робота.

4. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для изучения различных режимов движения робота по шероховатой плоскости, позволяющий исследовать свойства робота для различных стратегий управления.

5. Разработана математическая модель, описывающая взаимодействие корпуса робота с шероховатой плоскостью, как в неподвижном состоянии, так и при его движении.

6. Разработаны инструментальные средства проектирования и расчета параметров робота, на основе математического моделирования динамических режимов движения, а также метода конечно-элементного анализа и определения напряженно-деформированого состояния элементов корпуса робота.

7. Научно обоснованы режимы движения мобильного робота для различных видов управляющего воздействия с учетом внешних возмущений, оптимального ПИД регулятора и обратной связи, что явилось основой для создания мобильного противопожарного мини-робота.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях, а именно: на Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы технических наук», г. Пермь, 2013 г.;

X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. «Актуальные проблемы механики». Нижний Новгород, 2011.;

Межвузовском заседании кафедры Теоретической механики и мехатроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Юго-Западного государственного университета» и кафедры «Динамика и прочность машин» Государственного университета учебно-научно-производственного комплекса (Орел ГТУ) (г. Орел, 2013.);

Proceedings of the 14th International Conference on Climbing fnd Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, (Paris, France, 2012).

Science and Education. Materials of the II international research and practice conference. December 18 th-19th. (Munich. Germany, 2012);

Опытный образец пожарного робота представлен на Международной выставке «Ганновер-Мессе 2013», Германия, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 7 в рецензируемых изданиях и журналах, направлена заявка на получение патента.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 94 наименований. Основной текст изложен на 125 страницах и содержит 81 рисунок и 10 таблиц.

4.7. Выводы по главе 4.

Проведен анализ современных систем автоматического пожаротушения. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать конструкцию противопожарного робота. Прочностной расчет звеньев робота выполнен с применением МКЭ.

Разработаны инструментальные средства проектирования и расчета параметров робота, на основе математического моделирования динамических режимов движения, а также метода конечно-элементного анализа и определения напряженно-деформированого состояния элементов корпуса робота.

Научно обоснованы режимы движения мобильного робота для различных видов управляющего воздействия с учетом внешних возмущений, оптимального ПИД регулятора и обратной связи, что явилось основой для создания мобильного противопожарного мини-робота.

Заключение

На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Выявлено перспективное направление совершенствования мобильных роботов, основанное на применении змееподобного принципа движения и разработан трехзвенный ползающий робот, выполненный на базе двух электроприводов.

2. Разработана математическая модель плоского движения ползающего трехзвенного механизма и получены дифференциальные уравнения, описывающие как состояние покоя, так и режим движения по опорной шероховатой поверхности.

3. Разработана математическая модель, описывающая взаимодействие корпуса робота с шероховатой поверхностью как в неподвижном состоянии, так и при его движении.

4. Разработан алгоритм численного интегрирования дифференциальных уравнений движения для случаев, когда отдельные звенья робота остаются неподвижными или двигаются по поверхности, а также сформулированы условия начала движения отдельных элементов робота.

5. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для изучения различных режимов движения робота по шероховатой поверхности, позволяющий экспериментально проверить адекватность математических моделей.

6. Разработаны инструментальные средства проектирования и расчета параметров робота, на основе математического моделирования динамических режимов движения, а также метода конечно-элементного анализа и определения напряженно-деформированого состояния элементов корпуса робота.

7. Научно обоснованы режимы движения мобильного робота для различных видов управляющего воздействия с учетом внешних возмущений, оптимального ПИД регулятора и обратной связи, что явилось основой для создания мобильного противопожарного мини-робота.