Динамика управляемого движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса

Яцун, Андрей Сергеевич

Динамика управляемого движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Яцун, Андрей Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Орел МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика управляемого движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса»

Автореферат диссертации на тему "Динамика управляемого движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса"

На правах рукописи

005044389

Яцун Андрей Сергеевич

ДИНАМИКА УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ПОЛЗАЮЩЕГО РОБОТА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ФОРМОЙ КОРПУСА

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 20 ¡2

Орёл-2012

005044389

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Савин Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты:

Глазунов Виктор Аркадьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией теории механизмов и структуры машин Института машиноведения РАН им. A.A. Благонравова

Чернышев Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, кафедра «Динамика и прочность машин» Госуниверситета-УНПК

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.182.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» по адресу: 302020, г. Орёл, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК».

Объявление о защите диссертации и автореферат диссертации размещены на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak.ed.gov.ru и на официальном сайте Госуниверситета-УНПК по адресу: http://gu-unpk.ru.

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Борзенков Михаил Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по созданию мобильных роботов. Это связано с необходимостью выполнения технологических и инспекционных операций в труднодоступных для человека местах, а также на территориях с агрессивными средами, где нахождение людей не является безопасным. Несмотря на широкое распространение колесных, гусеничных, шагающих устройств, они обладают рядом недостатков, в том числе низкой проходимостью и невозможностью перемещения по узким каналам, проемам и трубам. Для повышения эффективности предлагается использовать мобильные конструкции с бионическим принципом движения, в которых каждое звено перемещается относительно соседнего, что приводит к периодическому изменению формы корпуса и, как следствие, к движению робота. Управляя движением каждого из модулей, можно изменять силу реакции внешней среды на корпус робота, обеспечивая его перемещение в желаемом направлении. Такие роботы не имеют внешних движителей, что позволяет делать их корпус герметичным для обеспечения движения не только по неровным поверхностям, завалам, но и внутри жидких и сыпучих сред, в грунтах, пульпах и т.д. Поэтому также мобильные многозвенные роботы найдут применение в медицинской сфере. Диагностические мобильные робототехнические комплексы могут автономно находиться в теле человека и проводить эндоскопические исследования.

Исследование динамики мобильных многозвенных роботов 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. Хироши, К. Циммермана, И. Зейдиса и других. Дальнейшее развитие многозвенных мобильных систем связано с применением параллельных механизмов, связывающих звенья робота, что позволяет повысить геометрическую проходимость, сохранив общую жесткость корпуса робота. В этой области хорошо известны работы В.А. Глазунова, Ж. Мерле, К. Ли, Дж. Анджелеса, Дж. Хершковица и других.

В то же время вопросы теории движения таких систем изучены недостаточно, что сдерживает вопрос практического использования многозвенных роботов. Также нераскрыты возможности применения параллельных механизмов и особенности их динамического поведения. В данной работе на основе анализа математических моделей и экспериментальных результатов предлагается изучать динамические процессы, происходящие в многозвенных роботах, рассматриваемых как сложные электромеханические системы, в которые входят: изменяемый механический корпус робота, электрические приводы, связывающие их элементы и окружающая среда. Такой подход позволит создать эффективные методы расчета динамических процессов мобильных многозвенных роботов. Таким образом, динамика управляемого движения мобильного ползающего \ -

робота с изменяемой формой корпуса является актуальной темой исследований.

Объектом исследований является мобильный ползающий робот с параллельным механизмом типа трипод или бипод.

Предметом исследований в работе являются динамические процессы, происходящие в управляемой мобильной многозвенной робототехнической системе при движении.

Цель работы состоит в создании научных основ и инструментальных средств проектирования многозвенных мобильных роботов с изменяемой формой корпуса, основанных на применении параллельных механизмов, выявлении закономерностей движения, анализе динамики и синтезе параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения параллельных механизмов для мобильных многозвенных роботов;

2. Разработка динамической модели движения мобильного двухсекционного робота с параллельными механизмами типа бипод и трипод с учетом свойств электропривода и взаимодействия с шероховатой поверхностью;

3. Исследование динамических особенностей системы электропривод-звено робота с учетом ограниченной мощности привода;

4. Разработка программного комплекса для синтеза параметров электроприводов параллельного механизма робота;

5. Разработка оптимальной схемы управления параллельным механизмом для обеспечения заданного движения робота;

6. Разработка конструктивных схем по реализации черве-, гусенице-и змееподобных роботов, оснащенных параллельным механизмом;

7. Разработка математической модели и методики расчета системы активной виброзащшы диагностического медицинского оборудования, устанавливаемого на корпус мобильного робота;

8. Разработка экспериментальной модели и проведение исследований движения робота с параллельным механизмом и определение основных параметров робота и системы управления.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, вычислительной техники и систем управления.

Исследование функциональных возможностей мобильных роботов, разработанных алгоритмов и способов движения, проверены методами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту: 1. Математическая модель многозвенного ползающего робота с изменяемой формой корпуса, основанная на совместном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений движения звеньев, учитывающая

инерционные воздействия двух масс в каждой штанге робота, взаимодействие контактных элементов с внешней средой, а также действующих в электроприводах ограниченной мощности активных и реактивных моментов.

2. Закономерности движения многозвенных ползающих роботов, использующих сочетание змее-, гусенице- и червеподобного принципов движения, с использованием параллельного механизма типа бипод и трипод, выраженные в немонотонном характере зависимости средней скорости робота от частоты управляющего воздействия.

3. Научно обоснованная методика расчета траектории движения ползающего робота с учетом динамики робота и алгоритма управляемого движения, учитывающего точность и быстродействие движения робота по заданной траектории при кусочно-постоянном управлении.

4. Математическая модель и методика оптимального синтеза параметров электропривода активной виброзащитной системы, выполненной на базе параллельного механизма, обеспечивающих эффективное функционирование робота и инвариантных по отношению к внешнему воздействию.

Достоверность результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными.

Практическая ценность. Предложена инженерная методика расчета, позволяющая определять параметры приводов параллельного механизма двухсекционного робота. Создан мобильный робототехнический комплекс для атравматичной диагностики внутренних поверхностей трубопроводных систем. Этот комплекс найдет применение в медицине для диагностики состояния внутренних полостей. Разработана инженерная методика расчета активной виброизоляционной системы диагностического медицинского оборудования. Разработана конструкция робота для мониторинга внутренних поверхностей трубопроводных систем. Построены макеты двухсекционных роботов, позволяющие изучать особенности движения и выявлять функциональные возможности, которые найдут применение в учебном процессе для специалистов в области мехатроники и робототехники.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении Государственного контракта № 14.740.11.0249 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 — 2013 годы», гранта ФАО НК-428 «Разработка и исследование параллельного многосекционного микроманипулятора для проведения дерматологической диагностики и терапии», а также гранта РФФИ № 08-08-004862-а «Динамика и управление движением автономных вибрационных мобильных микророботов по шероховатой поверхности» (2008-2010 гг.), а также в

учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ г. Курск и Госуниверситета-УНПК г. Орёл.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, таких как: Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», (ЮЗГУ, г. Курск - 2008, 2010, 2012), Международной конференции «Шагающие и ползающие роботы CLAWAR» (Португалия - 2008, Турция - 2009, Франция - 2011), Мультиконференции «Теория и системы управления», (РАН ИПМ им. Ишлинского, г. Москва - 2009), XI конференции молодых ученых «Навигация н управление движением», (ЦНИИ Электроприбор, г. Санкт-Петербург — 2009), Международной конференции «Robotics&Applications», (Массачусетский технологический институт, США - 2009), Научно-практическая конференция «ИНЖИНИРИНГ-2009» (ОрелГТУ, г. Орел -2009), Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2011» (МГУ, г. Москва - 2011), Всемирном конгрессе по теории машин и механизмов IFToMM, (Университет Гуанахуато, Мексика - 2011), Международная НПК «Вопросы науки и техники» (г. Новосибирск, 2012), на научно-техническом семинаре кафедры «Техническая Механика» Технического Университета г. Ильменау (Германия, 2010), семинаре Научно-исследовательского университета г. Нант (Франция, 2011), семинарах кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ (г. Курск) и семинарах кафедры «Мехатроника и международный инжиниринг» Госуниверситета-УНПК (г. Орел) с 2008 по 2012 гг.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 23 печатных работах, из 5 в реферируемых журналах из списка ВАК РФ, свидетельство на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 132 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 168 страницах текста, содержит 149 рисунков, 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, дана общая характеристика диссертации, показана научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор современных многозвенных роботов, использующих различные принципы движения. Особый интерес представляют схемы передвижения роботов без ног и колес и других движителей. Это направление, связанное с созданием мобильных микророботов предназначенных для мониторинга внутренних поверхностей полостей различной формы. Такие роботы обладают рядом преимуществ по сравнению с колесными, гусеничными, шагающими системами в первую

очередь благодаря более высокой проходимости, а также возможности создания устройств с герметичным, гладким и, как следствие, атравматичным корпусом. Эти преимущества позволяют создать принципиально новые, миниатюрные микророботы, способные перемещаться в узких каналах, щелях и средах недоступных для других мобильных объектов. Особый интерес представляет применение таких устройств в медицинской диагностике. Проведен анализ различных конструкций соединительных механизмов и контактных площадок роботов, на основе которого предложена оригинальная классификация роботов с изменяемой формой корпуса. В результате анализа предложен принцип применения пространственных параллельных механизмов типа бипод и трипод.

Во второй главе разработана пространственная модель двухзвенного ползающего робота (рис. 1).

С кинематической точки зрения рассматриваемый робот состоит из двух платформ (звеньев), одна из которых неподвижна. Платформы связаны между собой механизмом с кинематикой трипода. На рисунке приняты следующие обозначения: А* (¡=1,2,3) - цилиндрические шарниры; В; -сферические шарниры; Ь; - поступательные кинематические пары. Обозначим неподвижную платформу А1А2А3 (центр масс в точке О), подвижную платформу (выходное звено) В1В2В3 (с центром масс в точке С), три штанги переменной длины Ь„ каждая из которых состоит из двух стержней и активной поступательной кинематической пары. На рисунке робот для удобства расположен вертикально и система координат Охуг связана с неподвижной платформой А„ а система координат Ох^г, с подвижной платформой В,.

Рис. 1 Расчетная схема двухзвенного робота

Для определения положения платформы В,В2В3 используем углы Эйлера и координаты центра масс платформы: q = {xc,yc,zc,(p,e,y/)T .Вектор собственных координат механизма представляет собой управляемые длины штанг и углы их наклона к плоскости AiA2A3:/- =(Ц,Ь2,Г%У. Для решения прямой и обратной задачи кинематики механизма была получена система 9 нелинейных уравнений, которая устанавливает связи между обобщенными координатами платформы q и координатамии механизма г.

R -!,(/) cos г, = auR,+xc

О = а21 R, + ус (t) ■ sin Y\ =a,, R, +:c

1 1 л/3

-^(R-L1(t)cosr1) = -jan-R, + —а,2-Л, + xc

I ~(R-L1{t)co&rl) = --au R, +~-a12 Rl+yc (1)

Л 1 л/з

) £2(0-sm/2 =--а31 Л,+— an-R} + :с

I j /3

--(Л-/,,(/)cosr,) = --an-Rt ~ — а,2 ■ R, + хс "v3 1 S~

- — (R-L,(t)cosr,) = -^anRt-~a21-R, + yc 1 л/3

^¿j(0-siny3 = --а„ Л, -—+

где коэффициенты а,у- направляющие косинусы системы Cx,y1z1 относительно системы Oxyz.

Рассматривая данные уравнения совместно с условиями неразрывности подвижной платформы В^Вз, получим систему из 12 уравнений, численное решение которой по предложенному алгоритму позволяет решать прямую и обратную задачу кинематики механизма. На рис. 2 показан пример решения прямой задачи - область координат точек платформы при изменении длины штанги Li от 0,2 до 1,4 и длин L3 и L3 от 0,4 до 0,5 с шагом 0,01.

Рис. 2 Область координат точек платформы

Особые положения параллельного механизма определяются из условия ск!(А) = 0 и с/е1(В) = 0, где матрицы А и В определены из уравнения Ь = [л}/?]"1 у. Далее решена задача по определению закона изменения длины штанг, обеспечивающие заданное движение платформы по любой, например, эллипсовидной траектории с параметрами а и Ь, которая имеет вид:

+ ^ = 1. Зависимость изменения длин штанг для реализации заданной а Ъ

траектории показана на рис. 3.

Рис. 3 Рассчитанные длины штанг робота.

Далее рассмотрим динамическую модель двухзвенного робота. Движение рассматриваемой механической системы описывается векторными уравнениями, выражающими теоремы динамики об изменении количества движения и кинетического момента рассматриваемой системы. Полученные 6 уравнений динамики позволяют решить вторую задачу динамики: определить скорость центра масс платформы Ус и угловую скорость <о по заданным силам, действующим на платформу. Однако в рассматриваемом случае, силы неизвестны, поэтому дополнительно были записаны дифференциальные уравнения движения штанг робота.

Рассмотрим /-ю соединительную штангу (рис. 4), ^ - проекции силы

действующих в точке В, со стороны движущейся платформы, тц — масса нижней части ;-й штанги, т12 - масса верхней части /-й штанги, -

управляющая сила, действующая в /-м звене со стороны вращательного электропривода. Будем считать, что каждое звено штанги расположено вдоль оси причем верхний элемент совершает сложное движение. состоящее из переносного вращения вместе с нижним звеном и относительного поступательного Рис. 4 Расчетная схема штанги движения, задаваемого электроприводом, робота

Система дифференциальных уравнений движения звеньев і-й штанги в проекциях на систему координат, связанную со штангой, имеет вид:

тлЦ - тпЦг) = - ЛГ1^"'-Л^-тІ1ІІу

~ «і АЙ ~ 2«„Ай = И-'^0'іиІ1& (2)

С А. + + + «н*? + 2Ші2Г, + ¿А + + тігІі)&іпу1 = О

где До - матрица перехода из системы координат штанги А^.у.г, в неподвижную систему координат Охуг. Предполагается, что Ы1у= о, = N, т.к. трение между элементами штанг отсутствует.

Систему уравнений, описывающих динамику электроприводов, представим в виде:

((¡¡„ \

+гЯІіЯІ+СЕГам = и,

(3)

¿1 = О-л'Я

| ^-эд] ил

где: /=1,2,3; и г^ - суммарные индуктивность и сопротивление цепи якоря электродвигателя электромеханического привода /-той штанги;— ток цепи якоря электродвигателя электромеханического привода; СЕ и См -коэффициенты пропорциональности, сом - угловая скорость вращения вала /го электродвигателя, 1!, - управляющее напряжение /-го электродвигателя, 3 - приведенный к оси электродвигателя суммарный момент инерции, Яш -радиус выходной шестерни редуктора привода.

В данной работе рассматривается динамика робота при программном управлением движением подвижных элементов штанги по положению точек В;, в соответствии со схемой 5.

и и

Рис.5 Схемы программного управления: а) по заданным силам электропривода; б) по заданным длинам штанг.

Особое внимание уделено динамике системы при замкнутом управлении, в соответствии со схемой 6.

Цифровой

ПИД-

регулятоэ

ЦАП

Усилитель

си

Электромеханический привод штанги

АЦП

Датчик лвсемешвния штанги

Рис. 6 Структурная схема замкнутой системы управления роботом

Для изучения особенностей динамики движения проведем моделирование с использованием программного пакета МАТЬАВ. Рассчитанное изменение координат центра масс при программном управлении в зависимости от времени показано на рисунке 7.

Рис. 7 Временная диаграмма перемещения центра масс платформы и динамическая

ошибка позиционирования при моделировании без возмущения Установлено, что без возмущения динамическая ошибка позиционирования составляет до 8% по каждой из осей. Для минимизации ошибок позиционирования платформы в замкнутую систему автоматического управления введем корректирующий ПИД-регулятор. Далее к центру масс подвижной платформы прикладывалась дополнительная возмущающая сила зависящая от времени по гармоническому закону, и характеризующая сопротивление среды (рис.8,9).

Рис. 8 Координаты центра масс платформы и динамическая ошибка позиционирования центра масс по оси г. (1 - сигнал без возмущения, 2 - сигнал с возмущением без корректирующих устройств, 3 — сигнал с корректирующими устройствами)

Показано, что при программном управлении, отклонение реальной траектории от заданной может быть значительным, в силу отсутствия контроля за положением подвижного элемента, но в замкнутой системе управления, подбирая параметры регулятора, удается обеспечить минимальное отклонение реальной траектории от заданной при высоком быстродействии и робастности электропривода.

-гл4*\А»г*»

/1 ■ • С* .....с«я1>с«оп

tK Г\ /

/ \ / ■ 1 ' \ 1: \ / '

\ / V/ V :

Рис. 9 Координаты центра масс платформы и динамическая ошибка позиционирования центра масс по оси х.

Оптимизация параметров регулятора проводилась с помощью пакета прикладных программ Nonlinear Control Design по виду выходной функции, что позволило уменьшить динамическую ошибку позиционирования платформы с 30-40% до 8-10%.

В результате частотного анализа установлено наличие двух критических частот Хь Х2 при которых происходит резкое увеличение модуля динамической ошибки (рис. 10). Введение системы корректирующих

устройств позволяет

минимизировать ошибку

позиционирования в области критических частот, где величина динамической ошибки при введении оптимизированного регулятора уменьшается в 40 раз.

В третьей главе представлены математические модели различных частных случае, описывающих движение двухсекционного робота. В схеме на рис.11 звенья 2 и 4 робота соединены при помощи параллельного механизма 3 с кинематикой бипода или трипода. Диагностическое оборудование 5 соединено с подвижной платформой с помощью управляемого подвеса. В точках АГА2 находятся цилиндрические шарниры, в точках ВГВ2 шаровые шарниры, L,-L2 активные поступательные штанги', которые из двух элементов с массами ши, mi>2, i=l,2 - номер штанги, а платформа представляет собой однородный диск радиусом R, и массой т. Взаимодействие корпуса робота с поверхностью осуществляется с помощью специальных контактных площадок, которые могут быть как пассивными,

Рис 10. Амплитудный спектр ошибки перемещения центра масс платформы по оси т. 1 - без корректирующих устройств, 2 -с корректирующими устройствами.

так и активными, то есть осуществлять управляемое изменение коэффициента трения.

Рис. 11 Схема двухзвенного робота внутри трубы: 1 - поверхность трубы, 2 - первое звено робота, 3 — соединительный механизм, 4 - второе звено, 5 — диагностическое

оборудование, 6 - контактные элементы. Также рассматривается случай змееподобного движения плоской системы, которая состоит из основания А, подвижной платформы В, движущейся по заданной траектории, двух штанг каждая из которых состоит из двух стержней и активной поступательной кинематической пары (привода). Расчетная кинематическая схема плоской платформы приведена на рисунке 12. Вращение платформы происходит относительно оси х.

Рис. 12 Расчетная схема для плоского случая движения

Дифференциальные уравнения движения платформы робота в неподвижной системе координат:

m(Ltcosyl-2Ltsinyty1-(b + )cos у+ a-®1 cos@-

■ -(b+L.Jsiny^-a®1 sin®) = T11Tu(F{>11 + F?f') (4)

m(Ltsinyi + 2L,cosy,y, ~(b + LJsinyj]-a-®1 sinO-

~(b+Ll)cosylyl-a®1 cos@) = TilTi0(F'z11 + F£> )-mg

Также запишем дифференциальные уравнения движения штанг ¡=1,2 в неподвижной системе координат Oyz:

mnL, - mnL,jr] = F„„ - A? F,r

■ -m,J-iYi ~2mllL,yl = A?Fh -mngh + N, (5) (mitLn + /„, + /ы, + mnL) )y, + 2mny, LtL,) + LiNt+ (mnLa + mtlL, )gsinyi = 0

Система из дифференциальных уравнений (4),(5) описывает движение робота. Будем считать, что известны силы, возникающие в электроприводах Fnl и угол наклона yt. Найдем проекции сил, действующие в точках Bi и В2 Flr,Fit,Flr,Fu, силы Ni, N2, углы наклона ^ ив, а также длины штанг L, и L2. С использованием полученной математической модели, решена задача исследования управляемого движения робота для различных стратегий управления.

Изучено влияние частоты управляющего воздействия на среднюю скорость робота при гусеницеподобном движении, и синусоидальном задающем воздействии на электроприводы (рис. 13). Также показано, что в ударном режиме движения присутствуют высокочастотные составляющие (рис. 13, б).

Рис. 13 Зависимость средней скорости робота от частоты задающего воздействия: а - в размерной форме, б - в безразмерной форме с учетом ударов.

Исследована задача о точном движении подвижной платформы по заданной траектории при кусочно-постоянном управляющем воздействии. В этом случае необходимо реализовать такое управление длинами штанг и углом наклона, которое обеспечит движение некоторой точки Р платформы

по траекториям (рис. 14), максимально идентичным заданным с учетом возмущающего воздействия.

Рис. 14 Движение точек платформы робота по заданным траекториям

Решен вопрос о минимизации отклонения реальной траектории движения точки, принадлежащей подвижной платформе робота от заданной.

В четвертой главе изложена методика экспериментальных исследований. Разработан экспериментальный двухсекционный робот (рис. 15) для исследования змее- и червеподобного движения, состоящий из двух платформ, связанных между собой параллельным механизмом с тремя управляемыми электроприводами.

Рис. 15 Общий вид прототипа двухзвенного робота (фото и ЗП модель)

Данный робот состоит из двух платформ 1 и 3, оснащенных активными механизмами фиксации в трубопроводной системе 5 и основных электроприводов 2, обеспечивающих управляемое перемещение одной платформы относительно другой по заданной траектории внутри трубы 4. Масса каждого звена робота составляет 1400 г, масса электропривода (штанги) - 350г, ход электропривода - 50 мм, управляющее напряжение питание - 12В.

Особое внимание при проектировании уделено системе навесного диагностического оборудования б, которой представляет собой комплекс для объективной количественной оценки упруго-диссипативных параметров биологических тканей (кожного покрова, слизистых оболочек и т.д), а также доставки лекарственных средств. Описано устройство вибрационного типа, основанное на динамическом анализе поведения элемента (индентора), находящемся в контакте с измеряемой средой. В работе для подвески

измерительных устройств использован параллельный механизм типа трипод, причем в зависимости от решаемой задачи и габаритов робота возможно применение как электромеханических приводов в штангах параллельного механизма, так и электродинамических, которые оказываются наиболее эффективными для микро-устройств. Исследована возможность использования активного подвеса в качестве системы активной виброизоляции.

Для подтверждения теоретических результатов экспериментально исследовано движение точки подвижной платформы по различным управляющим траекториям на стенде (рис. 16)

ТГ

Рис. 16 Временная зависимость координаты точки Р при ступенчатой и синусоидальной заданных траекториях (1 - теоретические расчеты, 2 - эксперимент)

При проведении экспериментальных исследований получены временные зависимости перемещения каждого звена робота (рис. 17). Максимальная скорость прототипа составила 1,2 см/с.

Рис. 17 Экспериментальная зависимость перемещения двух масс робота при движении внутри горизонтальной трубы (1 - эксперимент, 2 - теоретические расчеты)

Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает наличие временного запаздывания, что связано с длительной обработкой сигнала в канале обратной связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие основные результаты и выводы:

1. Выявлено перспективное направление развития мобильных роботов с изменяемой формой корпуса, обеспечивающих управляемое движение в сложных условиях, с использованием параллельных механизмов типа бипод и трипод.

2. Разработана и численно реализована математическая модель динамики пространственного движения мобильного двухсекционного робота

для механизмов типа бипод и трипод с учетом наличия двух подвижных масс в каждой активной штанге.

3. Выявлены особенности динамики управляемого движения робота с учетом ограниченной мощности электроприводов, заключающиеся в возможности соударения двух элементов штанги, что отражается в виде появления дополнительных высокочастотных пиков при проведении частотного анализа.

4. Разработан программный комплекс для определения кинематических и динамических параметров движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса, основанный на решении прямой и обратной задачи динамики с учетом возможности появления особых положений параллельного механизма, связанных с невозможностью реализации управляющего воздействия.

5. Предложена методика расчета различных динамических режимов движения робота по критерию минимизации ошибки отклонения при кусочно-постоянном управляющем воздействии.

6. Разработана и численно реализована математическая модель системы активной виброизоляции установленного на корпусе робота диагностического медицинского оборудования, учитывающая свойства электродинамические свойства привода и вопросы выбора рациональных параметров корректирующего устройства.

7. Разработан и создан экспериментальный стенд для изучения динамических режимов движения робота. Прототип предназначен для проверки адекватности математической модели и оценки возможностей робота, как транспортного модуля в системе диагностики биологических тканей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Сапронов, К.А. Исследование движения прыгающего робота [Текст] / К.А. Сапронов, Е.С. Тарасова, A.C. Яцун // Известия ВУЗов. - М.: Машиностроение,-2009.- №3.- С. 42-51.

2. Савин, JI.A. Исследование системы активной виброизоляции на основе параллельного механизма [Текст] / JI.A. Савин, A.C. Яцун // Известия ЮЗГУ. Серия Техника и технологии. - 2011. - №1. - С. 53-60.

3. Кореневский, H.A. Аппаратно-программный комплекс для исследования упруго-диссипативных свойств кожного покрова [Текст] / Н. А. Кореневский, А. С. Яцун и дрУ/ Медицинская техника. - №1.2009. С. 28-33.

4. Яцун, A.C. Диагностический комплекс на основе параллельного манипулятора [Текст]/ A.C. Яцун, С.М. Яцун // Естественные и технические науки №1. 2012. С . 254-256

5. Яцун, A.C. Экспериментальное исследование движения трехзвенного робота по шероховатой поверхности [Текст]/ Яцун A.C., М.А. Гребенников, С.Б. Рублев и др.// Известия ЮЗГУ.- 2012. №1. С. 24-29.

Другие публикации:

6. Jatsun, A. Mobile crawling robot driven by rotating mass [Text] / A. Jatsun, I. Lupekhina // International Conference Robotics & Applications MIT. -USA, 2009.

7. Jatsun, S. Modeling of robot with active vibroisolation for onboard equipment [Text] / S. Jatsun, I. Lupekhina, A.Yatsun // Mobile Robotics: Solutions and Challenges Proceeding of 12th Conference CLAWAR, 2009 - dd 869-876.

8. Dyshenko, V. Modeling of Robot's Motion by Use of Vibration of Internal Masses [Text] / V. Dyshenko, A. Yatsun, A. Malchikov// Proceedings of 2008 The Second European Conference on Mechanism Science. - Italy, 2008 - d 267-274. ''

9. Carbone, G. Design and Simulation of Cassino Hexapod Robot [Text] / G. Carbone, A. Yatsun, M. Ceccarelli // Proceedings of the 13th WSEAS International Conference on SYSTEMS, Greece, July 2009, pp. 301-314.

10. Arakelian, V. Inertia Force Compensation in High-Speed Slider-Crank Mechanisms [Text] / V. Arakelian, S. Jatsun, A.Yatsun // 4th International Congress Design and Modeling of Mechanical Systems, CMSM'2011. - Sousse Tunisia, March 2011.

11. Arakelyan, V. A New 3-Dof Planar Parallel Manipulator with Unlimited Rotation Capability [Text] / V. Arakelyan, S. Briot, A. Yatsun and others // 13th World Congress in Mechanism and Machine Science. - Guanajuato México, June 2011,-p.19-25. '

12. Савин, JI. А. Активная виброзащитная система с параллельной структурой [Текст] / Л. А. Савин, Н. П. Уварова, А. С. Яцун // Управляемые вибрационные машины и технологии. - Курск, 2010. - 4.2, С. 150-155.

13. Сапронов, К.А. Управляемая система виброзащиты навесного оборудования мобильных роботов [Текст] / К.А. Сапронов, А.С. Яцун // Теория и системы управления: материалы конференции. - Москва- РАН ИПМ им. А.Ю. Ишлинского, 2009. - С. 76.

14. Яцун, А.С. Трехзвенный ползающий робот [Текст] / А.С. Яцун, М.А. Гребенников, А.В. Мальчиков, // Мехатроника, робототехника: Современное состояние и тенденции развития: сб. науч. ст. всерос науч школы для молодежи. - Курск: ЮЗГУ, 2011.

15. Яцун А.С. Активная виброзащита оптоэлектронного оборудования мобильных объектов [Текст] / А.С. Яцун, К.А. Сапронов // Навигация и управление движением: тезисы докладов XI конференции молодых ученых. - ЦНИИ Электроприбор, 2009. - С. 94.

16. Яцун, А.С. Диагностический комплекс на основе параллельного манипулятора [Текст]/ А.С. Яцун и др.// Естественные и технические науки -2012,-№1.-С. 254-256. '

17. Яцун, А.С. Исследование движения трёхзвенного ползающего робота [Текст] / А.С Яцун, М.А. Гребенников // Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2011» / Огв. ред. А.И. Андреев [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2011.

18. Яцун, А.С. Система активной виброзащиты с электродинамическими приводами [Текст] / А.С. Яцун// Инжиниринг-сборник научных трудов. - Орел: ОрелГТУ, 2009. - С. 161-165.

19. Яцун, А.С. Исследование системы автоматического управления активной защитой электронных компонентов от вибрации [Текст] / А.С. Яцун, К.А. Сапронов// Вибрационные машины и технологии: сборник научных трудов. - Курск: КГТУ. - 2008. - С. 401 - 408.

20. Устройство для чрескожной доставки лекарственного сырья [Текст]: пат. 73606 Рос. Федерация: МПК А61М37/00, В.Я. Мищенко, А. С. Яцун; "Курский государственный технический университет"; опубл 27 05 08 Бюл. № 2 '

Подписано в печать 23.04.2012 Формат 60x84/16. Усл.печл. 1. Тираж 100 экз. Заказ № б/ Отпечатано с готового оригинал - макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». 302020, Россия, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Яцун, Андрей Сергеевич, Орел

61 12-5/2679

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК»

На правах рукописи

Яцун Андрей Сергеевич

Динамика управляемого движения мобильного ползающего робота с изменяемой формой корпуса

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Савин Л.А.

Орёл-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Анализ состояния проблемы.................................................................10

1.1. Современные концепции создания мобильных роботов...........................10

1.2. Обзор существующих многозвенных роботов............................................14

1.3. Анализ конструкций соединительных механизмов многозвенных роботов .................................................................................................................................23

1.4. Методы математического моделирования многозвенных роботов..........27

1.5. Основные понятия параллельных механизмов...........................................28

1.6. Обзор виброзащитных систем в многозвенных роботах...........................32

1.7. Цели и задачи диссертации...........................................................................35

Глава 2. Пространственная математическая модель движения двухзвенного робота с изменяемой формой корпуса................................................................37

2.1. Обоснование целесообразности применения параллельных механизмов37

2.2. Кинематический анализ двухзвенного робота с параллельным механизмом типа трипод......................................................................................40

2.2.1 Анализ особых положений параллельного механизма...............................48

2.2.2 Решение прямой задачи кинематики.............................................................51

2.2.3 Решение обратной задачи кинематики.........................................................56

2.3. Динамический анализ двухзвенного робота...............................................59

2.3.1 Математическая модель динамики платформы..........................................62

2.3.2 Математическая модель динамики движения штанг..................................65

2.3.3 Моделирование динамики электропривода.................................................67

2.4. Моделирование движения робота................................................................72

2.4.1. Создание БштИпк-модели робота...............................................................72

2.4.2. Исследование движения платформы по заданной траектории при программном управлении...................................................................................................74

2.4.3. Исследование влияния внешнего возмущающего воздействия...............77

2.5. Выводы по 2 главе........................................................................................88

Глава 3. Исследование плоского движения ползающего робота.....................89

3.1. Описание принципов движения робота на плоскости...............................89

3.2. Принцип движения многозвенного робота по поверхности.....................92

3.3. Анализ движения робота с параллельным механизмом типа бипод........98

3.3.1 Кинематический анализ робота с параллельным механизмом типа бипод

...............................................................................................................................................98

3.3.2. Выбор траектории движения центра масс платформы робота...............101

3.3.3 Динамическая модель движения робота с параллельным механизмом типа бипод..........................................................................................................................107

3.3.4 Исследование управляемого движения подвижной платформы робота 111

3.4. Моделирование червеподобного движения..............................................113

3.5. Выводы по 3 главе........................................................................................116

Глава 4. Проведение экспериментальных исследований робота с параллельным механизмом................................................................................117

4.1. Проектирование прототипа робота............................................................117

4.2. Анализ динамики виброзащитной системы навесного оборудования... 118

4.3. Описание экспериментального прототипа робота...................................133

4.4 Описание диагностического комплекса для определения упруго-вязких свойств биологических материалов..................................................................144

4.5. Результаты экспериментальных исследований........................................148

4.6. Выводы по 4 главе........................................................................................153

Заключение..........................................................................................................154

Список использованной литературы.................................................................155

Введение

Актуальность темы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по созданию мобильных роботов. Это связано с необходимостью передвижения и выполнения технологических и инспекционных операций в недоступных или труднодоступных для человека местах, а также на территориях с агрессивными средами, где нахождение людей не является безопасным. Несмотря на широкое распространение колесных, гусеничных, шагающих устройств, они обладают рядом недостатков, в том числе низкой проходимостью и невозможностью перемещения по узким каналам, проемам и трубам. Для повышения эффективности предлагается использовать мобильные конструкции, в которых каждое звено перемещается относительно соседнего, что приводит к периодическому изменению формы корпуса и, как следствие, к движению робота.

Управляя движением каждого из модулей, можно изменять силу реакции внешней среды на корпус робота, обеспечивая его перемещение в желаемом направлении. Такие роботы не имеют внешних движителей, что позволяет делать их герметичными для движения не только по неровным поверхностям, завалам, но и внутри жидких и сыпучих сред, в грунтах, пульпах и т.д. Помимо этого мобильные многозвенные роботы найдут применение в медицинской сфере. Диагностические мобильные робототехнические комплексы могут автономно находиться в теле человека и проводить эндоскопические исследования.

Исследование динамики мобильных многозвенных роботов основывается на работах Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотника, Т.Ю. Фигуриной, В.Г. Градецкого, Ю.Г. Мартыне»ко, A.A. Иванова, А.П. Карпенко, А. Хироши, К. Циммермана, И.Зейдиса и других. Дальнейшее развитие многозвенных мобильных систем связано с применением параллельных механизмов, связывающих звенья робота, что позволяет повысить

геометрическую проходимость, сохранив общую жесткость корпуса робота. В этой области хорошо известны работы В.А. Глазунова, Ж. Мерле, К. Ли, Дж. Анджелеса, Дж. Хершковица и других.

В то же время вопросы теории движения таких систем изучены недостаточно, что сдерживает вопрос практического использования многозвенных роботов. Также нераскрыты возможности применения параллельных механизмов и особенности их динамического поведения. Поэтому в данной работе на основе анализа математических моделей и экспериментальных результатов изучаются динамические процессы, происходящие в многозвенных роботах, рассматриваемых как сложные электромеханические системы, в которые входят: изменяемый механический корпус робота, электрические приводы, связывающие их элементы и окружающая среда. Такой подход позволяет создать эффективные методы расчета динамических процессов мобильных многозвенных роботов, что определяет актуальность выбранной темы исследований.

Объектом исследований в работе является мобильный ползающий робот с параллельным механизмом.

Предметом исследований являются динамические процессы, происходящие в управляемой мобильной многозвенной робототехнической системе при движении.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения параллельных механизмов для мобильных многозвенных роботов;

2. Разработка динамической модели движения мобильного

двухсекционного робота с параллельными механизмами типа бипод и трипод с учетом свойств электропривода и взаимодействия с шероховатой поверхностью;

7. Разработка математической модели и методики расчета системы активной виброзащиты диагностического медицинского оборудования, устанавливаемого на корпус мобильного робота;

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, методов микромеханики, вычислительной техники и систем управления.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель многозвенного ползающего робота с изменяемой формой корпуса, основанная на совместном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений движения звеньев, учитывающая инерционные воздействия двух масс в каждой штанге робота,

взаимодействие контактных элементов с внешней средой, а также действующих в электроприводах ограниченной мощности активных и реактивных моментов.

Практическая ценность. Предложена инженерная методика расчета, позволяющая определить параметры приводов параллельного механизма двухсекционного робота. Создан мобильный робототехнический комплекс для атравматичной диагностики внутренних поверхностей трубопроводных систем. Этот комплекс найдет применение в медицине для диагностики состояния внутренних полостей. Разработана инженерная методика расчета активной виброизоляционной системы навесного оборудования. Разработана

конструкция робота для мониторинга внутренних поверхностей трубопроводных систем. Построены макеты двухсекционных роботов, позволяющие изучать особенности движения и выявлять функциональные возможности, которые найдут применение в учебном процессе для специалистов в области мехатроники и робототехники.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении Государственного контракта № 14.740.11.0249 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 -2013 годы», гранта ФАО НК-428 «Разработка и исследование параллельного многосекционного микроманипулятора для проведения дерматологической диагностики и терапии», а также гранта РФФИ № 08-08-004862-а «Динамика и управление движением автономных вибрационных мобильных микророботов по шероховатой поверхности» (2008-2010 гг.), а также в учебном процессе кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ, Курск и ГУ-УНПК, Орёл.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, таких как Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», (ЮЗГУ, г. Курск - 2008, 2010, 2012), Международной конференции «Шагающие и ползающие роботы СГА\¥АЯ» (Португалия - 2008, Турция - 2009, Франция - 2011), Мультиконференции «Теория и системы управления», (РАН ИПМ им. Ишлинского, г. Москва - 2009), XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», (ЦНИИ Электроприбор, г. Санкт-Петербург - 2009), Международной конференции «ЫоЬойсз&АррНсайопз», (США, Массачусетский технологический институт - 2009), Научно-практическая конференция «ИШКИНИРИНГ-2009» (ОрелГТУ, г. Орел -2009), Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2011» (МГУ, г. Москва - 2011), Всемирном конгрессе по теории машин и

механизмов ШТоММ, (Университет Гуанахуато, Мексика - 2011), Международная НПК «Вопросы науки и техники» (г. Новосибирск, 2012), на научно-технических семинарах кафедры «Техническая Механика» Технического Университета г. Ильменау (Германия, 2010), семинарах лаборатории робототехники Университета г. Кассино (Италия, 2008), семинарах кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ (г. Курск) и семинарах кафедры «Мехатроника и международный инжиниринг» ГУ-УНПК (г. Орел) с 2008 по 2012 гг.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 23 печатных работах, включая 20 статей, из них по перечню ВАК - 5 статей, свидетельство на полезную модель, подана заявка на полезную модель.

Глава 1. Анализ состояния проблемы

1.1. Современные концепции создания мобильных роботов

В настоящее время практически во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по созданию мобильных роботов. Это связано с необходимостью передвижения и выполнения технологических и инспекционных операций в недоступных или труднодоступных для человека местах, а также на территориях с "агрессивными" средами, где нахождение человека является не безопасным. Широкое распространение получили колесные, гусеничные, шагающие устройства, однако дальнейшее расширение области применения мобильных устройств, в первую очередь в условиях трубопроводов, в том числе заполненных отложениями, требует создания принципиально новых транспортных средств, лишенных выступающих частей и имеющих герметичный корпус.

Одним из перспективных методов движения мобильных роботов, развивающимся в Институте проблем механики им. Ишлинского РАН, Центральном научно-исследовательском институте робототехники, Техническом университете Илменау (Германия), Политехническом автономном университете Мадрида (Испания), Высшей политехнической школы Лозанны (Швейцария), Университете Карнеги-Мелона (США), Массачусетском Технологическом Институте (США), Лаборатории Национального Университета (Япония) и других, является использование управляемого движения звеньев, составляющих корпус робота. Независимо управляя каждым из модулей мобильного робота, можно управлять силой реакции внешней среды на корпус робота, обеспечивая его движение в желаемом направлении. Это делает мобильные многозвенные роботы перспективными для движения не только по неровным поверхностям, завалам, но и внутри сыпучих сред, препятствующих проникновению (грунтах, завалах и т.д.).

Особый интерес представляет применение таких устройств в медицине, т.к. в настоящее время получают широкое распространение малоинвазивные, атравматичные методы, методы визуальной диагностики внутренних полостей через естественные отверстия [29,66,96,92,108]. Кроме этого, все шире внедряются в хирургию методики проведения операций с помощью микророботехнических систем, создание которых возможно на основе современных методов расчета и проектирования, с использованием динамических моделей поведения робота.

В тоже время, при движении возникают значительные вибрации на корпусе робота, которые передаются навесному оборудованию. Это обстоятельство предполагает, что рабочие инструменты (видеокамеры, датчики, манипуляторы и т.д.), установленные на корпусе робота, нуждаются в специальном виброизолирующем подвесе.

В общем случае мобильный робот состоит из механической, электрической и компьютерных компонент [81,89,99]. Эти компоненты взаимодействуют между собой, обеспе�