Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструктивных решений систем приводов и транспортно-механических систем мобильных роботов, способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. Обоснование целей и задачи исследования 15
1.1. Классификация мобильных роботов, способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям 15
1.2. Анализ способов удержания роботов на вертикальных и наклонных поверхностях 25
1.3. Анализ средств создания вакуума 27
1.3.1. Вакуумные насосы 27
1.3.2. Эжектора 29
1.3.3. Вентиляторы 29
1.4. Способы движения по произвольно ориентированным поверхностям 31
1.5. Методы перехода с одной поверхности на другую 33
1.6. Цели и задачи исследования 33
2. Разработка и исследование систем приводов мобильных двумодульных роботов для перемещения по поверхностям, расположенным под углами друг к другу до 270 градусов 37
2.1. Особенности конструктивных схем двумодульных шагающих роботов и их влияние на функциональные возможности 37
2.2. Выбор рациональных геометрических параметров двумодульного шагающего робота и алгоритм перехода с одной поверхности на другую 43
2.3. Выбор параметров СП двумодульного шагающего робота 46
2.4. Исследования динамики и точности электропневмомеханического привода МРПП с учетом параметров механической передачи 51
2.4.1. Исследование линейной модели следящего электромеханического привода МРПП 54
2.4.2. Исследование механической передачи 58
2.4.3. Исследование влияние параметров механической передачи на динамические характеристики привода МРПП... 64
2.4.4. Анализ динамики и выбор параметров пневмопривода с позиционной системой управления и непрерывным управляющим воздействием 73
2.4.5. Исследование динамических (переходных) характеристик пневмодвигателя 80
2.4.6. Исследование позиционной системы управления пневмоприводом 81
2.5. Конструктивная схема двумодульного колесного МРПП 85
3. Выбор и обоснование конструктивных параметров приводов МРПП колесного типа со "скользящим" уплотнением 93
3.1. Особенности конструктивные схем транспортных модулей МРПП со "скользящим" уплотнением 93
3.2. Исследование влияния конструктивных параметров ВЗУ со "скользящим" уплотнением на его рабочие характеристики 96
3.3. Определение условий устойчивого движения транспортного модуля МРПП со "скользящим уплотнением" по вертикальной поверхности 105
3.3.1 Определение требуемого разряжения в камере ВЗУ при заданных конструктивных параметрах 108
3.3.2. Определение условий гарантированного сцепления колеса робота с вертикальной поверхностью 111
3.3.3. Определение условий движения без проскальзывания колеса робота при действии силы трения качения 113
Выводы по главе 3 118
4. Обоснование и выбор конструктивных параметров многозвенного шагающего робота (МШР) с вакуумными захватными устройствами 119
4.1. Конструктивная схема и принцип движения многозвенного шагающего робота 119
4.2. Анализ взаимовлияния конструктивных параметров МШР 126
4.2.1. Анализ взаимовлияния конструктивных параметров МШР на его массо-габаритные характеристики и зоны достижимости 126
4.2.2. Выбор параметров вакуумных захватных устройств для МШР 131
4.3. Некоторые кинематические соотношения для многозвенного шагающего робота 136
4.3.1. Кинематика плоского движения 136
4.3.2. Пространственная кинематика 139
5. Использование результатов исследований для разработки систем приводов мобильных роботов, перемещающихся по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям 147
5.1. Двухплатформенный шагающий робот 147
5.2. Многозвенный шагающий робот 149
5.3. Транспортный модуль вертикального перемещения со "скользящим" уплотнением 152
5.4. Колесный МРПП 154
Выводы 157
Литература 159
Приложение 170
- Анализ способов удержания роботов на вертикальных и наклонных поверхностях
- Выбор рациональных геометрических параметров двумодульного шагающего робота и алгоритм перехода с одной поверхности на другую
- Исследование влияния конструктивных параметров ВЗУ со "скользящим" уплотнением на его рабочие характеристики
- Анализ взаимовлияния конструктивных параметров МШР
Введение к работе
Развитие робототехники является важным показателем научно-технического потенциала страны, характеристикой ее технического прогресса.
В последнее время большое внимание уделяется созданию робототехнических средств, оснащенных специализированными устройствами для выполнения необходимых операций в экстремальных условиях и ситуациях, когда присутствие человека в рабочей зоне связано с опасностью, риском для жизни, отсутствием опыта или просто неудобствами [40, 41, 44, 56, 67, 70, 73, 81, 84]. Разработка роботов для экстремальных условий и ситуаций .является одним из важнейших направлений робототехники и охватывает различные аспекты в области систем приводов, теоретической и прикладной механики, вычислительной техники, искусственного интеллекта и в других смежных областях знаний и практического применения. Роботы для экстремальных ситуаций должны обладать способностью автономно перемещаться, т.е. быть мобильными. На основании публикации [ 21 ], можно выделить четыре принципиально различных типа мобильных роботов: наземные (сухопутные), воздухоплавающие, водоплавающие и подземные. С учетом последних достижений классификацию наземных мобильных роботов можно представить следующим образом (Рис. В1).
Если исследования и разработки мобильных роботов горизонтального перемещения, в том числе для перемещения по сложным наземным поверхностям, имеющим какие-либо препятствия (уступы, стены, лестницы) ведутся более 30 лет [21,23,41,53,69,71], а исследования в области роботов вертикального перемещения (РВП) -около 15 лет [10, 12, 13, 16, 45, 47-50, 52, 64, 66, 75, 80, 83, 85, 86], то научное направление по созданию мобильных роботов, способных перемещаться по произвольно-ориентированным поверхностям (МРПП) - горизонтальным,
Наземные (сухопутные) мобильные роботы
Горизонтального перемещения
Вертикального перемещения (РВП)
Специализированные (Например внутритрубные)
Перемещающиеся по произвольно - ориентированны м поверхностям (МРПП)
Рис. В вертикальным, наклонным, потолкам, и т.п., и при этом переходить с одной поверхности на другую является достаточно новым. Работы по созданию роботов, способных перемещаться по поверхностям, расположенным под произвольными углами по отношению к горизонту, например по маршруту пол-стена-потолок, преодолевать препятствия (например перелезать через стену), влезать в окно, подниматься по лестнице ведутся в Японии, США, странах Западной Европы, в России [4, 1,9, 11, 43, 44, 54, 68, 72, 75, 77, 79]. Создание таких роботов ставит перед учеными и инженерами ряд принципиально новых задач. Основная задача состоит в том чтобы надежно удержать робот на вертикальной поверхности (потолке, наклонной поверхности) в момент перехода с одной поверхности на другую. Эта особенность отличает МРПП от РВП. Следующая задача сводится к обеспечению надежного удержание робота на вертикальной поверхности или потолке. Для этого необходимо прижать робот к стене или потолку так, чтобы прижимающие силы и силы сухого трения между опорной поверхностью и контактными поверхностями робота смогли предотвратить его отрыв от опорной поверхности и скольжение по ней. В настоящее время для создания прижимающих усилий используются вакуумные захватные устройства, магнитные схваты (для ферромагнитных поверхностей) и воздушные винты. . Еще одна задача состоит в разработке эффективного способа движения по поверхностям, расположенным под различными углами по отношению к горизонту, и перехода с одной' поверхности на другую. Эта задача сводится, прежде всего, к выбору кинематической схемы робота, типа движителя ( колеса, гусеницы, ноги и т.п.), приводов и созданию соответствующего алгоритма управления.
В области робототехники, как пожалуй, ни в одной другой области машиностроения, конструктор встречается с ситуацией, когда на большинство важных вопросов, связанных с основами устройства робота, с выбором основных параметров приводов, построением движений, он вынужден отвечать, опираясь лишь на свои опыт и интуицию. Вероятно, этим, в частности можно объяснить многообразие структур, конструкций, размеров нескольких десятков типов роботов, построенных в последние годы [4, 7, 10-12, 37, 41- 43, 46,60,62, 64,69,72-83,88,90].
Фантазию и «произвол» конструктора в области робототехники должны регулировать и направлять методы расчета и проектирования, позволяющие обоснованно выбирать основные параметры робототехнических систем и сопоставлять важнейшие качества различных их конструкций. Создание этих методов - одна из центральных задач теории роботов [14].
Можно рассматривать мобильный робот, как комплексную систему, состоящую из : транспортно-механической системы; системы управления и связанной с ней сенсорной системой; технологического модуля;
Важной частью в составе транспортно-механической системы мобильного робота является система приводов (СП). Приводам роботов посвящены многочисленные исследования, в частности преимущества использования пневматических приводов, их расчет и динамика рассмотрены в [5, 6, 17]. Особенности СП роботов вертикального перемещения (РВП) рассматривались в [ 8, 12, 32, 36, 51, 82,87]. Однако СП роботов способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям имеет ряд существенных особенностей, главная из которых - обеспечение перехода с одной поверхности на другую. Также повышенные требования предъявляются к снижению числа цепей питания, уменьшению веса.
Актуальность темы.
Актуальность темы следует из необходимости исследования и сопоставления влияния конструктивных параметров систем приводов МРПП на их функциональные возможности, что позволяет выбрать рациональные конструктивные параметры специализированных пневмомеханических приводов, обеспечивающих движение робототехнических систем по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям с возможностью переходить при этом с одной поверхности на другую, что существенно расширяет области применения МРПП при работе в экстремальных ситуациях, а также при проведении различных технологических операций в строительстве, обслуживании объектов нефтяной, химической газовой промышленности, судостроении и т.д.
Предложенные ранее схемы транспортно-механических систем и систем приводов РВП не могут быть использованы без существенных доработок при проектировании МРПП, поскольку система приводов МРПП должна обеспечить необходимую ориентацию, переход робота с одной поверхности на другую и надежное его удержание на поверхности. Поэтому существует необходимость как теоретических, так и практических разработок, направленных на создание систем приводов и транспортно-механических систем МРПП. Данные обстоятельства предопределили выбор темы, цели, задачи, а также основные направления настоящего диссертационного исследования.
Цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является решение актуальной научной задачи по выбору рациональных конструктивных параметров для проектирования приводов мобильных роботов, способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести анализ известных конструктивных схем приводов роботов вертикального перемещения, транспортно-механических систем МРПП и определить эффективность их использования при движении по пересекающимся в пространстве поверхностям. - обосновать и разработать конструктивные схемы транспортно- механических систем роботов, способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям и способных при этом переходить на поверхности, расположенные по отношению друг к другу под углами более 90 градусов ; - составить математическую модель пневмомеханического привода МРПП и исследовать влияние жесткости, упругой податливости на его динамические характеристики; - предложить и исследовать способы перехода с одной поверхности на другую; - предложить методы расчета и проектирования МРПП с учетом упругости в месте контакта с поверхностью; - экспериментально исследовать систему приводов робота со "скользящим" уплотнением;
Методы исследований.
Приведенные в работе исследования основаны на системном подходе. как общем методе познания, использовании физического и математического моделирования процессов, законов механики, вакуумной техники, гидрогазодинамики, динамики электропневмоприводов .
Научная новизна диссертации.
Получены новые зависимости, связывающие функциональные характеристики с конструктивными параметрами СП МРПП колесного типа со "скользящим" уплотнением. Обоснованы и предложены способы перехода МРПП с одной поверхности на другую и методы расчета геометрических параметров двумодульных роботов, позволяющих осуществлять переход с поверхности на поверхность расположенные под углом более 90 градусов по отношению друг к другу. Для многозвенного шагающего робота исследовано и установлено влияние конструктивных параметров на его функциональные возможности. Разработана классификация МРПП.
Практическая ценность.
Разработанные в диссертационной работе методы выбора рациональных параметров транспортно-механических систем и систем приводов МРПП, исследование функциональных возможностей разработанных МРПП различных классов позволяют создавать на этой основе образцы мобильных роботов различного назначения, способных перемещаться по произвольно- ориентированным поверхностям, актуальность которых возрастает в связи с неуменьшающимся количеством чрезвычайных ситуаций в различных сферах человеческой деятельности.
Реализация работы.
Методы выбора рациональных параметров приводов МРПП были использованы при выполнении ряда исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках проекта Министерства науки и технологий РФ " Технологии, машины и производства будущего", (раздел "Машины новых поколений"), Международного проекта INTAS "MORES", договорам с организациями Российской Федерации.
Апробация работы.
Основные разделы работы докладывались на научных семинарах по робототехнике и мехатронике в ИПМех РАН, на Международной конференции по перспективной робототехнике ICAR'95, в Испании, на 6 и 7 Международной конференциях по проектированию и производству машин в Средневосточном Техническом Университете г. Анкары (Турция) в 1994 и 1996 гг., на 2 Международной конференции ECPD по перспективной робототехнике в г. Вена (Австрия) в 1996 г., на 2 Международном совещании по сервисным роботам в г. Генуя (Италия) в 1997 г., на 4 Международной конференции ECPD по перспективной робототехнике в г. Москва в 1998 г., на 2 -й международной конференции по шагающим и ползающим роботам CLAWAR'99 в г. Портсмуте (Великобритания), на кафедре Гидропривода и гидропневмоавтоматики МАДИ.
Публикации.
По теме научных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 79 рисунков, 6 таблиц, включает библиографию из 90 использованных источников.
В первой главе на основе отечественных и зарубежных публикаций проводится анализ и приводится классификация существующих МРПП, анализируются способы удержания МРПП на вертикальных и наклонных поверхностях и методы движения по произвольно ориентированным поверхностям, приводятся требования к СП МРПП, обосновываются цели и задачи исследований.
Во второй главе рассматриваются два варианта двумодульных МРПП - шагающего типа и колесного типа со "скользящим уплотнением". Приводятся формулы для расчета геометрических параметров двумодульных МРПП. Предложена и исследована конструктивная схема усовершенствованного электропневмомеханического привода. Приведены результаты теоретических исследований динамики электро-пневмопривода МРПП шагающего типа.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований транспортного модуля МРПП со скользящим уплотнением, даны методы выбора основных модулей и методы расчета конструктивных параметров МРПП.
В четвертой главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по взаимовлиянию различных конструктивных параметров на функциональные характеристики для многозвенного шагающего робота.
В пятой главе приводятся примеры использования результатов проведенных исследований при разработки систем приводов МРПП, описаны разработанные прототипы МРПП.
Диссертационная работа выполнена в Институте проблем механики РАН в лаборатории робототехники и мехатроники.
Анализ способов удержания роботов на вертикальных и наклонных поверхностях
Для движения по вертикальным и наклонным поверхностям, а также потолкам используются специальные захватные устройства (ЗУ). Это могут быть механические ЗУ, вакуумные ЗУ, магнитные ЗУ, ЗУ с использованием реологических жидкостей и другие. ЗУ должны отвечать следующим требованиям: - обеспечивать надежное сцепление с поверхностью; -иметь достаточную нагрузочную способность для получения максимальной грузоподъемности; - иметь возможность адаптации к виду и качеству поверхности; - легкость управления усилием прижима; - для ряда моделей возможность работы в экстремальных условиях (радиация, высокая температура); МРПП будет удерживаться на вертикальной или наклонной поверхности, если выполняется следующее соотношение [83]: F М- (cosa + — -sinа), 0-1) где: F- общая удерживающая сила; М- вес робота; JJ - коэффициент трения; а - угол наклона поверхности; Механические ЗУ используются главным образом для передвижения по специальным поверхностям (трубы, лестницы и т.п.) [26,28-31]. Магнитные ЗУ используются редко, что обусловлено жесткими требованиями к типу материала поверхности перемещения (ферромагнитные материалы) и ее качеству. Наличие шероховатостей, окраски, ржавчины делает невозможным удержание или снижает силу удержания робота на поверхности. Однако известны РВП, в которых используются магнитные ЗУ [ 45,83 ]. ЗУ с применением реологических жидкостей для удержания на вертикальных поверхностях практически не известны. Реологические жидкости - это магнито - и электро-активированные реологические структуры веществ, меняющих свои механические свойства в зависимости от амплитуды, длительности и частоты внешнего воздействия электрической, тепловой, магнитной или иной природы. Для робототехники жидкости интересны тем, что под воздействием внешних магнитных или электрических полей жидкости с адекватными присадками становятся твердыми телами. Известна конструкция РВП у которого для удержания на вертикальной поверхности и перемещения по ней используются воздушные винты [ 74,76 ].
В настоящее время наибольшее распространение получили вакуумные ЗУ (ВЗУ), как наиболее универсальные, позволяющие удерживать МРПП на поверхностях из различных материалов с различной шероховатостью. Для создания вакуума могут использоваться вакуумные насосы, эжекторные системы, вентиляторы. Теоретически, усилие отрыва вакуумного ЗУ вычисляется по формуле: где S3}. - эффективная площадь захватного устройства; Ратм - атмосферное давление; Рзу - давление внутри полости вакуумного ЗУ; Для создания вакуума используются механические и немеханические вакуумные насосы. К механическим насосам относятся поршневые, жидкостно-колыдевые, плунжерные, пластинчато-роторные и двухроторные (низкого и среднего вакуума), турбомолекулярные (высокого вакуума).
Выбор рациональных геометрических параметров двумодульного шагающего робота и алгоритм перехода с одной поверхности на другую
При проектировании робота со складывающимися платформами необходимо правильно определить положение центра оси вращения одной платформы относительно другой. Это является важным для случаев перехода с поверхности на поверхность, расположенных друг относительно друга под углом 270 градусов (рис. 2.3, в). Рассмотрим расчет параметров на примере схемы 1 (рис. 2.1) Введем следующие обозначения (рис. 2.7): точка 0 - центр оси вращения одной платформы относительно другой; L і - расстояние от точки 0 до центра вакуумного захвата транспортной платформы, находящегося в крайнем положении; L 2 - расстояние от точки 0 до плоскости А, на которой находится транспортная платформа; L 3 - расстояние от точки 0 до плоскости Б, на которую совершается переход; L 4 - расстояние от точки 0 до центра крайнего вакуумного захвата 8 платформы 2. Тогда имеем: L j - L 3 + S где 5 - расстояние от края плоскости Б. L3 = h + Л где h - высота платформы робота; Л - расстояние от точки 0 до платформы, определяемое габаритами узла поворота. В частном случае расстояние S = 0,5 d, d - диаметр вакуумного захвата (если платформа 1 стоит на краю плоскости А). Если на краю плоскостей находится некоторый уступ К длиной a j +а2 и высотой Ь, то в этом случае для успешного преодоления уступа должны соблюдаться соотношения: h a}; s а2 +0,5d; L 4- А Ь; Размеры "трещины" преодолеваемой таким роботом будут: 1= (L ] + L 4 ) - d; Приведем алгоритм перехода МРПП с одной поверхности на другую, угол между которыми составляет 90 градусов. Для перехода робота с одной поверхности на другую должны быть выполнены следующие условия: 1) ось робота должна быть перпендикулярна поверхности; 2) робот должен остановиться на некотором расстоянии / от поверхности; Для выполнения этих условий могут быть применены ультразвуковые дальномеры, установленные по краям платформ модулей 1 и 2. Ультразвуковой датчик измеряет время задержки Т сигнала, отраженного от объекта и определяет расстояние L до поверхности последнего по формуле: L = с 772, где с- скорость звука в воздухе, зависящая от температуры t в градусах Цельсия [55] с = 331,5+ 0,61 /(м/с); На точность измерения влияет также диаграмма направленности датчика. Функция направленности R описывается соотношением [55]: R = \2J(Z)Z\, Z = Jdfsin9/c,mQ (2.1) J - функция Бесселя d - диаметр датчика / - частота ультразвуковой волны в - угол направления Приведем описание алгоритма перехода робота с поверхности А на поверхность В: 1) Робот движется по поверхности А; 2) С помощью ультразвуковых датчиков определяется расстояние до поверхности В; 3) Если показания датчиков различны, то значит робот движется под некоторым углом к поверхности В, тогда выдается команда на включение узла поворота модуля 1 и робот устанавливается перпендикулярно поверхности В; 4) При достижении расстояния / робот останавливается; 5) Включается узел поворота 3: модуль 2 поворачивается до тех пор, пока не будет получен сигнал от тактильных датчиков о том, что ВЗУ центральной опоры коснулись поверхности В; 6) Тактильные датчики установлены во всех ВЗУ; если сигнал получен от 3-4 датчиков, то включаются эжектора центральной опоры; 7) если сигнал получен от меньшего числа датчиков, то дается команда на узел поворота 3, и за счет вращения в двух плоскостях центральная опора устанавливается параллельно плоскости В; 8) Сигналы от минимум 4 из 6 датчиков наличия вакуума свидетельствуют о том что модуль 2 удерживается на поверхности В; 9) Включается узел поворота 3, модуль 1 устанавливается на модуле 2;
Исследование влияния конструктивных параметров ВЗУ со "скользящим" уплотнением на его рабочие характеристики
Целью исследований ВЗУ со "скользящим" уплотнением является установление влияния основных конструктивных параметров ВЗУ на его рабочие характеристики. Для проведения экспериментальных исследований ВЗУ со "скользящим" уплотнением была создана испытательная установка, содержащая: - камеру объемом 3640 см3, уплотняемую относительно поверхности; - быстросъемный держатель с набором уплотнений из различных материалов; - генераторы вакуума различных модификаций; - источник питания ТЕС - 18 НТР50.3; - трансформатор ЛАТР -1М (220 В, 9А.); - вольтметр универсальный ДМТ 303-110; - динамометр; - ваккумметр ВО - 1227 (класс точности 0,25; верхний предел измерений 0,1 МПа.) Измеряемое давление (Па) находится по формуле [ 3 ]: Р = Ра (1- n/N), где п- отсчет измеряемого давления в делениях шкалы прибора; N- число делений шкалы прибора (для ВО-1227 N=400); Ра - атмосферное давление; Исследования проводились на поверхностях из различных материалов и с различной шероховатостью. На рис. 3.5. приведены результаты исследования по определению зависимости уровня разряжения (АР) в камере ВЗУ от напряжения питания для различных моделей генераторов вакуума, работающих от двигателей переменного (рис.3.5, а) и постоянного тока (рис.3.5, б). Испытывались серийно выпускаемые генераторы вакуума как отечественного, так и импортного производства. В качестве уплотнения использовался войлок технический марки ПС по ГОСТ 6308-71. В результате исследований установлено, что наиболее рациональное значение рабочего напряжения для генераторов вакуума, работающих от двигателей переменного тока лежит в пределах 160-180 В. При напряжениях, превышающих данные повышается шум, и усиливается вибрация конструкции. Для принятия решения по применению генератора вакуума в составе МРПП предлагается дополнительно к значению ДР ввести критерии, учитывающие их массо-габаритные и стоимостные характеристики. К] = М V- массо-габаритный критерий; Необходимо стремится к уменьшению значения Kj. Габариты, занимаемые генератором, вычислялись как произведение диаметра основания D на его высоту Н. К2 = Л Р/К] - вакуумно-массогабаритный критерий; Необходимо стремится к увеличению значения К2. К3 - К/С, - комбинированный критерий, учитыывающий стоимость генератора; С - стоимость генератора в условных единицах (У.Е.) Необходимо стремится к увеличению значения К3. Результаты по вычислению критериев для генераторов вакуума, работающих от двигателей переменного тока представлены в Таблице 3.1 Приведенные расчеты показывают, что наиболее предпочтительным из рассмотренных генераторов будет "Panasonic" МС- Е960. Исследование генераторов вакуума, работающих от двигателя постоянного тока показало, что максимально достижимый уровень разряжения Л Р, который удается получить лежит в пределах 2-2,5 кПа., что достаточно для удержания на вертикальных поверхностях РВП малого класса (собственный вес 3 кг, грузоподъемность до 1 кг.). При этом время работы от автономного источника питания составляет порядка 15 минут. На рис. 3. 6 представлен общий вид макета ВЗУ с генератором вакуума, работающим от двигателя постоянного тока с автономным источником питания. На рис. 3.7. приведены результаты исследования по определению зависимости силы трения между поверхностью и "скользящим "
Анализ взаимовлияния конструктивных параметров МШР
Основными конструктивными параметрами влияющими на возможности многозвенного робота (рис. 4.1 ) являются: - длины полузвеньев / и L, определяющие полную длину робота; - массы полузвеньев ти М, определяющие полную массу робота; - величина угла 2 а , определяющая маневренные возможности робота и размеры зоны достижимости; - скорость перемещения полузвеньев (О зв\ - максимально допустимая величина статического момента сил сопротивления на выходных валах редукторов полузвеньев Мс, характеризующая нагрузочные возможности робота. Также при проектировании следует учитывать стоимость изготовления робота. Длины полузвеньев / и L, их масса т и М, величина момента Мс зависят от рационально спроектированных редукторов полузвеньев. Примем, что стационарная скорость вращения полузвена со зв должна составлять примерно 0,013-0,016 с-1 , а в качестве исполнительного двигателя возьмем микродвигатель постоянного тока типа ДПР-62 с максимальной частотой вращения со с в=470 с . Передаточное отношение редуктора Up определяется по формуле: ир=содв/созв (4.1) Подстановка данных в это выражение дает значение 1/р=32987. Анализ возможности применения различных передаточных механизмов с учетом их относительных размеров, относительной стоимости и технологичности (т.е. обеспечения минимальной трудоемкости изготовления и сборки, материалоемкости и др.) показал, что наиболее рациональным будет применение 4-х ступенчатого редуктора, включающего две цилиндрические и две червячные передачи. Однако, при этом КПД редуктора будет низким, т.к. КПД самотормозящейся червячной передачи не может превышать 0,5 [15]. Для статического режима работы справедливо выражение: Nde т?р =Кап Мс созв; (4.2) где N де. - мощность двигателя К зап. - коэффициент запаса, учитывающий необходимость преодоления динамических нагрузок в момент разгона. Из этого можно определить максимально допустимую величину статического момента сил сопротивления на выходном валу редукторов полузвеньев: На рис. 4.7 -- 4.9 представлены результаты цифрового моделирования зоны достижимости конечной точки стопы многозвенного робота для различных значений угла 2 а в случае, когда длина крайних полузвеньев / = 2/3 L - длины средних полузвеньев. Изменение конфигурации зоны достижимости с увеличением угла 2а позволяет совершать переходы на поверхности расположенные по отношению друг к другу свыше 270 градусов в случае, если значение угла 2 а приближается к 180 градусам. На рис.4.10; 4.11 представлено изменение зоны достижимости в случае если 1= L и 1= 1/4 L при постоянном значении угла 2 а = 140 градусов. При этом изменяются размеры зоны достижимости без изменения ее конфигурации. Рассмотрим плоскопараллельное движение робота, т.е. когда из восьми степеней свободы МШР активны только четыре, отвечающие обобщенным координатам ері , ... , ср4 (рис. 4.12 ), и вся система движется в вертикальной плоскости OXY. Центр опорной стопы расположен в точке О, а центр переносимой стопы в точке G [2]. Будем считать, что три промежуточных звена роботы одинаковы, а также одинаковы концевые звенья, на которых расположены стопы. Все звенья сбалансированы. Центры масс промежуточных звеньев расположены в серединах отрезков Ох Оі+1, і = 1, 2, 3 а центры масс концевых звеньев лежат на отрезках О О] и 04G, на расстоянии а от шарниров 0; и 04 соответственно. Оси, проходящие через центры масс звеньев и перпендикулярные плоскости OXY, суть главные оси инерции этих звеньев. Каждая стопа имеет по шесть одинаковых ВЗУ, центры которых расположены в вершинах правильного шестиугольника. Центр этого шестиугольника совпадает с центром основания стопы. Предполагается, что все ВЗУ прижимаются к поверхности с одной и той же силойp=S Лро, где Лр0 - разность давлений воздуха снаружи и в полости ЗУ. S - площадь контакта ЗУ с поверхностью. Определим минимальную величину присасывающей силы р, гарантирующую равновесие стопы на опорной поверхности, в случае, когда звенья робота вытянуты в прямую и вращаются как единое целое в плоскости OXYвокруг оси шарнира Oj. Числовые расчеты проведем для спроектированного робота со следующими конструктивными параметрами
Похожие диссертации на Выбор рациональных конструктивных параметров для проектирования пневмомеханических приводов мобильных роботов
