Динамика мобильной трехзвенной механической системы при движении по горизонтальной шероховатой плоскости

Рублев, Сергей Борисович

Динамика мобильной трехзвенной механической системы при движении по горизонтальной шероховатой плоскости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Рублев, Сергей Борисович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика мобильной трехзвенной механической системы при движении по горизонтальной шероховатой плоскости»

Автореферат диссертации на тему "Динамика мобильной трехзвенной механической системы при движении по горизонтальной шероховатой плоскости"

На пр:

кописи

00506145О

Рублев Сергей Борисович

ДИНАМИКА МОБИЛЬНОЙ ТРЕХЗВЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ШЕРОХОВАТОЙ

ПЛОСКОСТИ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 К:0Н ¿013

Курск-2013

005061455

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» на кафедре теоретической механики и мехатроники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ, Я пун Сергей Федорович

Официальные оппоненты: Чернышев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, Госуниверситет - УНПК (г. Орел), профессор, кафедры «Динамика и прочность машин»

Соломин Олег Вячеславович доктор технических наук, профессор, Московское представительство АО ИЧИ Калдайе, технический директор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 14 часов на заседания диссертационного совета Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференцзал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета

Автореферат разослан « » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01

-Пушников Борис Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования в области создания механизмов, имитирующих поведение реальных биологических прототипов - новое, активно развивающееся направление науки. Имитация или копирование принципов поведения животных, позволяет создавать устройства, обладающие уникальными свойствами, которые находят конкретное практическое применение. Именно к таким устройствам относятся «змееподобные» роботы.

В дальнейшем под мобильной трехзвенной механической системой, имитирующей движение змееподобного робота, будем понимать совокупность твердых тел, связанных между собой шарнирами, которые оснащены приводами вращательного движения.

В результате взаимодействия звеньев с опорной поверхностью механическая система совершает некоторое движение в заданном направлении.

Первые змееподобные роботы были разработаны еще в 70-х годах XX века в Японии. На сегодняшний день создано немало устройств, имитирующих движение змей. Такие устройства имеют различную структуру, различные конструкции, однако,- все они стремятся как можно больше приблизиться к движению реальных объектов.

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. Небольшие габаритные размеры позволяют им осуществлять движение в областях, недоступных для движения других типов роботов, таких как шагающие, колесные и др.

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

В то же время вопросы моделирования динамики движения изучены недостаточно. Не достаточно 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.

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

Предметом исследования являются динамические процессы, протекающие в мобильной электромеханической системе, в которую входят: три твердых тела, связанных между собой электроприводами; недеформируемая шероховатая поверхность на которую опираются тела; система 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 звенья;

- создание 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 образцов; достаточным объемом измерений, обеспечивающим относительную погрешность не более 18%; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований и эффективной эксплуатацией опытного оборудования.

Научная новизна:

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 системы;

- определена 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, учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ.

Аппробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях, а именно: на Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы технических наук». г. Пермь, 201 Зг.;

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-19lh. (Munich. Germany,2012);

Опытный образец пожарного робота представлен на Международной выставке "Ганновер-Мессе 2013" (Германия, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 7 в рецензируемых журналах и изданиях.

Структура и объем диссертации. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации,

сформулированы цель и задачи исследования, почазаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор литературных источников по вопросам анализа конструкций и классификации змееподобных роботов, а так же по разработке и проектированию многозвенных мобильных роботов. Приведен обзор и классификация приводов механических устройств ползающих роботов. Сформулированы требования, предъявляемые к структуре модулей, соединяющих звенья механической системы. При этом отмечается, что в настоящее время особо актуальна тема разработки данного типа ползающих роботов с описанием математической модели их движения. Проведен анализ математических моделей многозвенных мобильных систем.

Рассматриваемые в работе мобильные механизмы, передвигающиеся без специальных движителей и взаимодействующие с внешней средой непосредственно своим корпусом, потребовали создания теоретического аппарата, позволяющего изучать основные закономерности движения создаваемых систем уже на стадии проектирования. Большой цикл работ посвящен змееподобным механизмам, представляющим собой цепь жестких звеньев, соединенных вращательными шарнирами, в которых расположены приводы. Эти приводы создают управляющие моменты, внутренние по отношению к многозвеннику. Между многозвенником и поверхностью, по которой он движется, действует сухое трение. Управляя моментами в шарнирах и тем самым силой трения, приложенной к механизму, можно обеспечить его перемещение из произвольного начального положения в заданное конечное положение. Исследование режимов динамики 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, И. Зейдиса, S. Hirose, К. Zimmermann и др.

В изученных работах детально исследованы двух- и трехзвенные механизмы. Рассмотрены режимы движения, включающие быстрые стадии, отличающиеся тем, что моменты создаваемые приводами, много больше моментов сил трения, и медленные стадии, на которых часть звеньев удерживается силами трения в покое. Кроме того, изучены квазистатические режимы управления такими механизмами, когда движение можно рассматривать как непрерывную последовательность критических состояний равновесия, обеспечиваемых моментами в шарнирах и силами сухого трения. Изучение змееподобных механизмов позволяет выяснить основные закономерности таких движений и выработать рациональные режимы управления ими, которые в последующем могут найти применение в

мобильных роботах. Кроме того, результаты этих исследований могут оказаться полезными для понимания принципов движения биологических существ и механизмов, не имеющих предназначенных для этого конечностей (например, змей или червей).

Особое внимание уделено моделированию динамики взаимодействия корпуса робота с опорной поверхностью, при этом применяются модели Кулона.

В результате проведенного анализа формулируется цель и задачи диссертации.

Во второй главе предложена математическая модель, описывающая различные режимы движения трехзвенного мобильного робота. На рис.1 приведена расчетная схема трехзвенной механической системы, на основе которой описаны кинематика и динамика робота. Движение устройства определяется пятью обобщенными координатами и имеет пять степеней свободы. Это координаты центра масс первого звена Х],уа также углы поворота первого звена робота относительно горизонтальной оси Ох (срО, второго звена относительно первого (сргО и третьего звена (срзг) относительно второго, что соответствует поворотам систем координат С/х^у/г/ относительно Охуг, 02х2у2?2 относительно О¡XIV¡г) и О&зузгз относительно 02%2У2^2-У

О X

Рис.1. Схема трехзвенного робота На рис. 1 угол поворота первого звена робота относительно горизонтальной оси Ох (<р 1). угол поворота второго звена относительно системы координат Охуг (92), а угол поворота третьего звена относительно системы координат Охуг (фз).

Дифференциальные уравнения движения рассматриваемой системы

получены на основе уравнений Лагранжа-Максвелла:

с1 дЬ дЬ д¥ „ , , ——;—---1—р = сд., к = \,...,пг.

дск дЧк

с1 дЬ дЬ дЧ> Лдх, дх> дх,

где: X,- - обобщенные координаты; % - обобщенные заряды электрической цепи;

- обобщенные токи к-й электрической цепи; Ь - функция Лагранжа;

У - диссипативная функция; Ек - электродвижущая сила к-й электрической цепи;

СЬ - обобщенная сила.

На конструкцию действуют силы трения, возникающие в точках контакта боковых звеньев и корпуса с горизонтальной поверхностью рис.4.

ООг\

№

Рис. 2. Схема сил, действующих на мобильный трехзвенник

После определения кинетической и потенциальной энергий, диссипативной функции, а также обобщенных сил л подстановки в уравнения Лагранжа была получена математическая модель, описывающая движение

устройства, представленная системой нелинейных дифференциальных уравнений в виде:

/ {/;- 7-V;" I - «>'; Ir«; - P¡s I ,0. - 9¡, - ^ГМ,«; -<f{,~ ¡[ УЧ; - "!¡)~C3SÍ; - Л1;',*; -

xi)tX3<f¡ <¡¡::{í>'¡: .-.v'l^jj-iie; e;; yv =>íS.llfff:' ^ fSj'nfííj - ■

f: (/: +- "i;* + 2 *U: + m: + fn;) ^ coo($?i ■+■ Я>{) +■ j rr2 ccsCí?: + ÍP;) + 3i(>Í¡; l 2m3)'.£cosv?; -i('R; i 2ííijj j1 sitiI I s'níft I

V'32,»3ítií!Ín(Vi -(Яз) - ч-Г,', sinC«;; -«"J +r3í:fítlCf/3j-ír3)

Й Oí +:шг(}г) т —?n3 cos(& + ¡p¡)+<¿>1in;—cos{^l+y1m:-cos((?¡ -

.ад^ад -i- sin(<Pj - - ¡p:)=+ í3 sin(y?3 -

«O

-dj ' 7 COS '4>x [пг + ¡7¡5 ) - г T % ('»2 + '¡¡3 ) - fi T "¿3 "oí = Flccs«1 -

F: ees+■ F¡ eos a3 - F4 :os cr^ 3i(m., - шг * m,) + <;»i•7rnSíi')i ("»j + ni,) + i&^ros% (тг - 7.m5J + ¡¡i3 fjm,ros qj, —

-(^'rsiii^i + - -f sítift (ni; + 2m;) - ф32~:Щ sln#¡ = Flz\i\ «i +

\ F2 siu fi; 4- F3 sin R3 + Fif sin £?„

Для того, чтобы найти значения обобщенных координат вектора ¡7= ч?з1Г, необходимо задать функции управляющих моментов

М21 Ми и численно решить данную систему уравнений. Для этого разработан специальный алгоритм численного интегрирования системы уравнений. Исследованы различные режимы движения устройства, в том числе продольное и поперечное.

В результате проведенного предварительного анализа выявлено, что движение рассматриваемой системы не является кинематически заданным, а определяется силами трения, действующими на звенья со стороны опорной поверхности. Установлено также , что средняя скорость движения устройства

значительно выше при реализации поперечного движения поэтому именно этот вид движения изучался наиболее подробно.

На рис.3 показана схема поперечного движения робота при симметричном движении крайних звеньев системы.

Рис.3 Расчетная схема робота

В рассматриваемом случае,

<Р|=л-ф2; (2)

Для вращения боковых звеньев применены дзигатели постоянного тока. Так как двигатели имеют одинаковые параметры, в дальнейшем будем использовать одно уравнение, описывающее динамику электропривода. При этом управляющие напряжения, поступающие на обмотки электродвигателей должны быть равны по модулю и противоположны по знаку:

Е, = -Е2 (3)

Со стороны шероховатой поверхности на звенья устройства действуют силы трения. Модель сил трения действующих на звенья будет иметь вид:

-Р' ■

Р1'

■ -Ч- -Зг< К-^о.^Жо-ы,.

Г..Д

ус=о,^л<к„.ыг-

(4)

Математическая модель поперечного движения трехзвенника по шероховатой плоскости представлена в ниде трех нелинейных дифференциальных уравнений.

-2-ух-тц-О.С,-сое (р,)-/;

=-?-V-!-+

2•mc■(plC,У + J,

, Р)„,

2 •шг-(0|С,У +

" <■ =-?—~—-+

[тс + 2-тп ) 2 • т Г1 • (V,) ■ О,С, • яп (р, )+ (/^ )„. + (>7р ) (от,. + 2 • тг1)

Рис.4 Зависимости обобщенных координат от времени. 1-перемещение центрального звена, 2 -ускорение центрального звена, 3 — угол поворота

бокового звена.

Результаты исследования динамики движения механической системы представлены в виде графиков зависимостей обобщенных координат движения звеньев от времени (рис.4.)

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований, а также результаты сравнения теоретических и экспериментальных данных. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец мобильного трехзвенного ползающего робота (рис.5.) С целью исследования влияния параметров робота на среднюю скорость был проведен ряд экспериментов по плану Рехтшафнера.

Рис.5 общий вид экспериментального мобильного трехзвенного робота

В качестве варьируемых параметров приняты: ХгДополнительные массы; Х2 -Длина ноги робота; Х3 - угол поворота ноги робота; Х4- задержка по времени.

Максимум средней скорости движения робота был достигнут при: Х]=1; Х2=1; Хз=1; Х(=0,248, что в пересчете на реальные физические величины соответствует: дополнительной массе =1,7 кг, длине ноги робота = 34,5 см, углу поворота ноги робота = 45°, задержке = 6,2 мс.

Из экспериментов следует, что при данных параметрах скорость будет максимальна и равна 0,05 м/с, что соответствует прохождению заданного расстояния 0,75 м за 13,9 с.

Линии равного уровня и поверхность отклика приведены ниже на рис.6.

Рис. 6. Линии равного уровня функции отклика в пространстве варьируемых параметров X} иХ2 при Хз=Хз°Р* и Х4=Х4°Р*.

Для проверки адекватности математической модели проведен вычислительный эксперимент и рассчитана средняя скорость движения при полученных оптимальных параметрах устройства. Результаты расчетов и экспериментов приведены на рис.7.

Рис.7 Сравнение теоретической (1) и экспериментальной (2) зависимостей средней скорости движения

Из графика (рис.7.) видно, что максимальная скорость робота при поперечном движении составила 0,053 м/с.

Погрешность между теоретической и экспериментальной кривыми не превышает 18%. Такое расхождение во многом объясняется тем, что в моделе не учетены упругие свойства внешних звеньев робота.

В главе четыре проведен анализ современных систем автоматического пожаротушения.

Рис.6 Общий вид противопажарного робота.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать конструкцию противопожарного робота. Общий вид которого представлен на рис 6. Прочностной расчет звеньев робота выполнен с применением МКЭ.

Робот состоит из трех секций. Шасси робота предназначено для передвижения робота и одновременно является несущей конструкцией для закрепления дополнительных устройств и навесного оборудования. Блок системы управления расположен на центральном звене и является местом размещения электронных схем и компонентов системы автоматического управления роботом, там же установлены электроприводы вращения боковых звеньев. Инфракрасная камера предназначена для детектирования очага возгорания, а также передачи сигнала на пульт. Огнетушитель с электромагнитным клапаном для устранения очага возгорания.

Кроме этого, на боковых звеньях установлены блок аккумуляторов предназначенный для питания силовых и электронных компонентов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

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-деформировапого 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.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Яцун, С. Ф. Динамика мобильного вибрационного робота с внутренней подвижной массой [Текст] / С.Ф. Яцун, П.А. Безмен, К.А. Сапронов, С.Б. Рублев // Известия Курского государственного технического университета. 2010, №2,(31)-С. 21-31.

2. Яцун, С.Ф. Виброробот для вертикального движения по металлической шероховатой поверхности [Текст] / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, A.A. Черепанов, С.Б. Рублев, // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. Т. 12, №4(3). - С. 651 -655.

3. Черепанов, A.A. Исследование движения виброробота по вертикальной ферромагнитной поверхности. [Текст]// A.A. Черепанов, A.C. Яцун, С.Б. Рублев// Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. -2011, №4, (5). - С. 2588-2590.

4. Савин, С.И. Экспериментальные исследования управляемого движения робота с внешними актуаторами для мониторинга трубопроводов

малого диаметра [Текст] / С.И. Савин, С.Ф. Яцун, С.Б. Рублев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т.14, №4(5).— С.1277- 1279.

5. Яцун, С.Ф. Исследование движения трехзвенного мобильного робота по горизонтальной шероховатой поверхности [Текст] / С.Ф. Яцун, A.A. Черепанов, С.Б. Рублев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. 2012, №2,4.1. - С. 182 - 191.

6. Мальчиков, A.B. Исследование движения плоского шестизвенного внутритрубного мобильного робота [Текст] // A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун, С.Б. Рублев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2012. Т.14, №4(5).-С. 1263-1265.

7. Яцун, A.C. Исследование движения трехзвенного мобильного робота по шероховатой поверхности [Текст] / A.C. Яцун, В.Н. Шемякин, С.Б. Рублев М.А. Гребенников, // Известия. Юго-Западного государственного университета. 2012, №1,42(40)-С. 18-26.

Другие публикации

8. Рублев, С.Б. Математическое моделирование движения змееподобного робота по шероховатой поверхности [Текст] // С.Б.Рублев А.А.Черепанов, А.С.Яцун, // Вибрация - 2012. Управляемые вибрационные технологии и машины X научно-техническая конференция: тез. докл. Издательство Юго-Западного государственного университета. Курск, 2012. 4.2. -С. 123- 129.

9. Jatsun, S. Linear motion of mobile system with three bodies on a rough surface [Text]// S. Jatsun, S. Rublev// Materials of the II International Research and Practice Conference, Vol.1, December 18th - 19th.-Munich, Germany, 2012. P. 152- 158.

10. Яцун, С.Ф. Исследование управляемого прыжка многозвенного робота. [Текст]// С.Ф. Яцун, Л.Ю. Волкова, С.Б. Рублев// Актуальные вопросы технических наук (II): тез. докл. Международная заочная научная конференция. - Пермь: Меркурий, 2013. С. 62 - 65.

11. Jatsun, S. Mobile Vibrating Robot for Movement on Metal Surface. FIELD ROBOTICS [Text]/ S. Jatsun, A. Cherepanov, S. Rublev, A. Jatsun // Proceedings of the 14th International Conference on Climbing fnd Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines (UPMC). - Paris, France, 6-8 September, 2011. P 774 - 781.

12. Яцун, С.Ф. Experimental study of vertical movements of in-pipe inspection robot [Text]// С.Ф. Яцун, С.И. Савин, С.Б. Рублев//Современные научные достижения - 2013. IX Международная научно-практическая конференция. - Чехия, Прага, 2013.-С35-39

13. Черепанов, A.A. Исследование движения виброробота по вертикальной ферромагнитной поверхности. [Текст]// A.A. Черепанов,

A.C. Яцун, С.Б. Рублев// Актуальные проблемы механики тез. докл. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. - Нижний Новгород, 24 - 30 августа 2011г. - С. 15 - 16.

Подписано в печать 20.05.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л.1,0.Тираж 130 экз. Заказ № Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октябра, 94. Отпечатано в ЮЗГУ.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Рублев, Сергей Борисович, Курск

ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201360355

ДИНАМИКА МОБИЛЬНОЙ ТРЕХЗВЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ШЕРОХОВАТОЙ ПЛОСКОСТИ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Яцун С.Ф.

Курск 2013

Оглавление

Введение....................................................................................4

Глава 1. Состояние проблемы. Задачи исследования............................10

1.1. Анализ конструкций. Классификация многозвенных

мобильных систем................................................................................10

1.2. Многозвенные мобильные устройства..........................................16

1.3. Структура модулей, соединяющих звенья робота............................20

1.4. Анализ математических моделей многозвенных

мобильных систем................................................................................21

1.5. Цель и задачи диссертации.......................................................22

Выводы по главе 1............................................................................23

2. Математическое моделирование различных режимов движения трехзвенного мобильного робота.......................................................................................25

2.1. Кинематический анализ движения..............................................25

2.2. Описание устройства и принципа движения трехзвенного механизма............................................................................................................................................................35

2.3. Описание основных законов движения робота.............................................37

2.3.1. Продольное движение............................................................56

2.3.2. Боковое (поперечное) движение...............................................58

2.3.2.1. Математическая модель робота при поперечном движении с учетом ударного взаимодействия звеньев и ограниченной мощности привода....62

2.3.2.2. Моделирование удара боковых звеньев с корпусом робота...........68

2.3.3. Поворот на месте (вращательное движение)................................70

2.4. Математическая модель движения робота в моменты остановки.........71

2.5. Выводы по главе 2..................................................................73

Глава 3. Экспериментальные исследования движения трехзвенного робота.............................................................................................................................74

3.1. Анализ факторов, влияющих на скорость передвижения трехзвенного робота.............................................................................74

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований..................75

3.3. Выбор варьируемых параметров.................................................76

3.4. Результаты экспериментальных исследований...............................78

3.5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных..................87

3.6. Выводы по главе 3..................................................................87

Глава 4.Анализ современных систем автоматического пожаротушения......89

4.1. Классификация автоматических установок пожаротушения..............90

4.2. Конструкции роботов применяемых для пожарных роботов..............96

4.2.1. Робот-пожарный Anna Konda...................................................96

4.2.2. Робот компании Hoya Robot....................................................97

4.2.3. Стационарные пожарные роботы на базе лафетных стволов............98

4.3. Описание принципов работы пожарного робота...........................100

4.4. Описание конструкции трехзвенного робота для систем локального тушения пожаров................................................................101

4.5. Инженерная методика расчета параметров робота.........................103

4.5.1. Расчёт и подбор привода.......................................................103

4.5.2. Расчёт на прочность рабочего звена робота...............................111

4.6. Цифровая система автоматического управления приводом робота.....113

4.6.1.Функциональная схема системы управления..............................113

4.7. Выводы по главе 4.................................................................115

Заключение...............................................................................116

Список литературы......................................................................117

Введение

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 электроприводами; недеформируемая шероховатая поверхность на которую опираются тела; система управления движением.

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

создание экспериментального стенда и проведение исследований закономерностей различных режимов движения змееподобного робота;

математических моделей и натурных образцов; достаточным 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 системы;

определена 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.

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, 2013г.;

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.

Глава 1. Состояние проблемы. Задачи исследования 1.1. Анализ конструкций. Классификация многозвенных мобильных систем.

В начале 1970х годов Хиросе и Юметами (Япония) [36, 73, 76] приступили к исследованию мобильных систем, использующих змееподобное движение. Ими создан ряд колесных мобильных роботов со змееподобным принципом движения.

Рисунок 1.1. Общий вид змееподобного робота

Рисунок 1.2. Общий вид змееподобного робота с пассивными колесами В этих исследованиях в области моделирования и управления были впервые выведены выражения для силы и мощности как функций расстояния и вращательного момента при движении вдоль кривой, описываемой змеей. Затем

было выведено выражение для кривой, которая затем сравнивалось с формой тела реальных змей, полученных при движении. Кривая, названная серпеноидой, имеет кривизну, которая изменяется синусоидально вдоль длины оси тела змеи. Ниже показаны соответствующие зависимости:

д(5) - sJ0(a) + ^ ^ > (1Л>

т = 1 **

, 00 ОТ - 1 г / \

, , 4/ / 1ч . /2т-1

т = 1

Данная кривая отличается от синусоиды или даже от клотоиды. Сравнения с реальными змеями показали, что кривая - серпеноида близка к результатам измерений. Особое внимание уделено модели распространения мускульных сил вдоль тела. В этой работе рассматривались нормальные и касательные силы, а также вопросы по распространению мощности.

Следующим этапом работы стало изучение механизмов адаптации и характеристика этих механизмов. Было установлено, что реальные змеи быстро адаптируются к широкому кругу почв и сред обитания.

Рисунок 1.3. Увеличенное изображение первого змееподобного робота,

показывающее тело и привод робота В результате наблюдений было выяснено, что движение змеи осуществляется необязательно в одной плоскости, фактически, при повышении скорости движения, змеи используют брюшное движение для более активного

распределения веса между теми площадками, где осуществляется продвижение змеи.

Затем проводились исследования соотношений между амплитудами и длинами волн при движении, а также возникающие при этом силы трения, Кроме этого, выполнено сопоставление этих признаков с параметрами движения отдельных модулей и приводов с использованием неровных поверхностей и осуществлялось сопоставление моделей с движением реальных змей.

Общий вид некоторых роботов представле�