Введение к работе
Актуальность работы. В современном мире мобильные робототехнические системы широко эксплуатируются в инспекционных, ремонтных, демонтажных, транспортировочных и спасательных работах, особенно когда последние являются опасными и вредными для жизни или производятся в труднодоступных для человека зонах. Достаточно новым и стремительно развивающимся направлением робототехники является создание устройств, перемещающихся с отрывом от поверхности, что объясняется повышенной проходимостью таких объектов при движении по неровной или пересеченной местности и возможностью использования их в военно-разведывательных целях, для обследования зданий и мониторинга окружающей среды после природных и техногенных катастроф.
Устройства, движущиеся с отрывом от поверхности, являются объектами исследования многих ученых, таких как S. Kesner, G. Zeglin, S. Dubowsky (Massachusetts Institute of Technology, США), P. Fiorini (California Institute of Technology, США), M. Kovac, D. Floreano (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Швейцария), В.В. Лапшин (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва), С.Ф. Яцун, К.А. Сапронов, И.В. Лупехина, А.Н. Рукавицын (Юго-Западный государственный университет, Курск), С.С. Комаров, Н.И. Мискактин (Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа) и многих других. Крупные инженерные компании, например, Boston Dynamics (Massachusetts Institute of Technology, США), также создают прыгающих роботов. В то же время динамика прыгающих аппаратов, режимы их движения, этапы прыжка изучены недостаточно, что значительно ограничивает область применения таких устройств. Поэтому изучение динамических режимов движения устройства в зависимости от параметров позиционирования и разгона перед отрывом от поверхности, динамических эффектов, возникающих при реализации прыжка, разработка методик расчета параметров аппарата и синтез законов управления для обеспечения требуемых характеристик прыжка является актуальной задачей.
Объектом исследования данной работы является мобильный четырехзвенный аппарат, перемещающийся с отрывом от поверхности, звенья которого образуют пары вращательного и поступательного движений.
Предметом исследования являются динамические процессы, протекающие в мобильном четырехзвенном аппарате, движение которого происходит с отрывом от поверхности.
Цель работы заключается в создании научных основ и инструментальных средств проектирования четырехзвенных аппаратов, перемещающихся с отрывом от поверхности, звенья которых образуют пары вращательного и поступательного движения.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Анализ возможностей применения мобильных устройств для перемещения по неровной и пересеченной местности, выявление областей использования прыгающих аппаратов.
2. Разработка методики реализации прыжка мобильным четырехзвенным аппаратом, звенья которого образуют две пары вращательного и одну пару поступательного движения, выделение этапов прыжка и условий перехода из одного этапа в другой.
3. Разработка математической модели взаимодействия четырехзвенного аппарата с шероховатой поверхностью, учитывающей этапы движения устройства и свойства поверхности.
4. Разработка математической модели четырехзвенного аппарата, перемещающегося с отрывом от поверхности, учитывающей этапы прыжка и динамические режимы движения устройства на каждом из этапов.
5. Исследование динамических режимов разгона и приземления прыгающего аппарата, выявление закономерностей изменения динамических характеристик прыжка в зависимости от параметров позиционирования, разгона и полета с учетом свойств поверхности, а также от массогабаритных параметров.
6. Разработка инструментальных средств проектирования для определения параметров, формируемых на этапах позиционирования, разгона и полета, а также моментов и сил, генерируемых приводами, для реализации прыжка с требуемыми характеристиками.
7. Создание макета разгонного модуля и проведение экспериментов по исследованию влияния массогабаритных параметров и движения на этапе разгона на высоту и длину прыжка.
Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и аналитической механики, вычислительной математики, теории автоматического управления, теории планирования эксперимента и прикладного программирования.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
1. Методика реализации прыжка с выделением этапов и условий перехода из одного этапа в другой четырехзвенным аппаратом, звенья которого образуют две пары вращательного и одну пару поступательного движения, обеспечивающая точное позиционирование разгонного модуля до отрыва от поверхности за счет использования пар вращательного движения и минимизацию нежелательной угловой скорости за счет реализации разгона парой поступательного движения.
2. Математическая модель взаимодействия четырехзвенного прыгающего аппарата с поверхностью, учитывающая динамические режимы движения устройства на разных этапах прыжка и свойства поверхности, позволяющая определить условия отрыва объекта от поверхности и условия приземления, выделить области параметров устройства, при которых разгон происходит без проскальзывания и опрокидывания.
3. Математическая модель четырехзвенного аппарата, перемещающегося с отрывом от поверхности, учитывающая этапы прыжка и взаимодействие звеньев с поверхностью, позволяющая определить динамические режимы разгона и приземления аппарата, закономерности изменения характеристик прыжка в зависимости от массогабаритных параметров устройства, параметров позиционирования, разгона и полета.
4. Закономерности динамических режимов разгона и приземления устройства при закреплении ноги в центре масс корпуса и вне его, динамические характеристики прыжка в зависимости от массогабаритных параметров аппарата и параметров, формируемых на этапах позиционирования, разгона и полета.
Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической и аналитической механики, теории механизмов и машин, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Разработан программный комплекс, позволяющий определять рациональные параметры, формируемые на различных этапах прыжка, а также моменты и силы, создаваемые приводами, для реализации четырехзвенным аппаратом прыжка с требуемыми характеристиками. Программный комплекс может быть использован при проектировании прыгающих роботов для мониторинга окружающей среды, проведения военно-разведывательных операций, обследования многоэтажных зданий во время чрезвычайных ситуаций. Разработан экспериментальный стенд, включающий макет разгонного модуля четырехзвенного прыгающего аппарата и средства измерения, для реализации устройством прыжков с различными характеристиками, позволяющий проводить экспериментальные исследования движения аппарата и определять влияние массогабаритных параметров, а также параметров этапов позиционирования и разгона на характеристики прыжка.
Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственных контрактов в рамках проектов № 10-08-00769 РФФИ по теме «Изучение закономерностей движения прыгающих мобильных роботов, перемещающихся с отрывом от поверхности за счет перемещения внутренних масс», № П699 Министерства образования и науки Российской Федерации по теме «Разработка и исследование прыгающего миниробота для перемещения по поверхностям со сложным рельефом».
Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (г. Курск).
Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены и одобрены на международных и российских конференциях, таких как ХХIII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов МИКМУС-2011 (Москва, 2011), Х Международная научно-техническая конференция «Вибрация-2012. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, 2012), IUTAM Symposium: From mechanical to biological systems – an integrated approach (Ижевск, 2012), Всероссийская конференция «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах» (Санкт-Петербург, 2012), Международная молодежная конференция «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (Орехово-Зуево, 2012), IV Всероссийская научно-практическая конференция «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2012), Международная заочная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук (II)» (Пермь, 2013), VIII Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2013), IX Мezinrodn vdecko – praktick konference «Мodern vymoenosti vdy – 2013» (Чехия, 2013), Международная конференция «Прогресс транспортных средств и систем – 2013» (Волгоград, 2013), 7-й Международный симпозиум «Экстремальная робототехника – робототехника для работы в условиях опасной окружающей среды» (Санкт-Петербург, 2013), Семинар по теории управления и динамике систем ИПМех РАН под руководством академика Ф.Л. Черноусько (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, включая 11 статей, из них 7 работ в рецензируемых научных журналах, получены 2 свидетельства на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 120 наименований. Текст диссертации изложен на 223 страницах, содержит 130 рисунков, 3 таблицы и 3 приложения.
