Введение к работе
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, Н.Н. Болотника, Т.Ю. Фигуриной, В.Г. Градецкого, Ю.Г. Мартыненко, А.А. 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:
-
Анализ возможностей применения параллельных механизмов для мобильных многозвенных роботов;
-
Разработка динамической модели движения мобильного двухсекционного робота с параллельными механизмами типа бипод и трипод с учетом свойств электропривода и взаимодействия с шероховатой поверхностью;
-
Исследование динамических особенностей системы электропривод-звено робота с учетом ограниченной мощности привода;
-
Разработка программного комплекса для синтеза параметров электроприводов параллельного механизма робота;
-
Разработка оптимальной схемы управления параллельным механизмом для обеспечения заданного движения робота;
-
Разработка конструктивных схем по реализации черве-, гусенице- и змееподобных роботов, оснащенных параллельным механизмом;
-
Разработка математической модели и методики расчета системы активной виброзащиты диагностического медицинского оборудования, устанавливаемого на корпус мобильного робота;
-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 и 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.
