Введение к работе
з Актуальность темы
Подавляющее большинство наземных транспортных средств имеют колёсный или гусеничный движитель. Их применение и совершенствование основано на относительной простоте конструкции и эффективности в работе. Однако имеют место такие эксплуатационные ситуации, когда использование подобных движителей нецелесообразно, неэффективно, а порой даже и невозможно. По этой причине во многих развитых странах ведутся исследования по разработке новых типов движителей, отвечающих требованиям высокой проходимости, экологичности и манёвренности. К таким движителям, в частности, относится шагающий движитель. Наибольший интерес вызывают работы по созданию шагающих машин "тяжёлой" весовой категории (собственной массой более 1т). Наиболее известные из них, робототехнические комплексы "Восьминог" и "Восьминог-М" с движителями на базе цикловых механизмов шагания, которые в силу причин, заложенных в самом цикловом механизме шагания, имеют ряд недостатков, и главный из них - низкая манёвренность.
Среди большого разнообразия типов движителей шагающих машин особый класс составляют ортогональные движители, у которых пространственное движение стопы относительно корпуса обеспечивается независимой работой трех приводов, причем в курсовом движении работает один привод, а остальные заторможены. Их энергетическая эффективность, обусловлена отсутствием затрат энергии на поддержание веса машины. Их основной недостаток - значительные габариты, что также снижает маневренность шагающей машины.
В связи с этим, актуальными являются исследования, направленные на повышение манёвренности шагающих машин за счёт создания новых приводов с ортогональными движителями.
Предмет исследования - привод со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями, обеспечивающий повышение манёвренности шагающих машин.
Целью работы является повышение манёвренности шагающих машин за счет разработки кинематической схемы приводов со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями и методов расчёта режимов их работы.
Для достижения цели работы, решались следующие основные задачи:
разработка кинематической схемы шагающей машины с приводами имеющими сдвоенные ортогональные движители;
разработка метода расчёта кинематических, динамических и энергетических характеристик движения шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные ортогонально-поворотные движители;
разработка алгоритмов циклового перемещения опоры шагающей машины и системы управления режимами работы приводов курсового перемещения с ортогональными движителями;
теоретико-экспериментальное исследование режимов работы приводов курсового перемещения при поступательном движении шагающей машины и при специальном маневрировании.
Методы исследования базируются на основных разделах машиноведения и положениях теоретической механики, теории механизмов и машин, мехатроники и отдельных разделах теории электрических машин, а также на исследованиях
4 динамики управления робототехническими комплексами на основе шагающих машин. При интегрировании уравнений движения использовались численные методы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложено и научно обосновано применение в шагающих машинах
приводов, имеющих сдвоенные ортогонально-поворотные движители,
обеспечивающие повышение манёвренности;
- разработана математическая модель, с использованием которой выполнены
расчёты кинематических, динамических и энергетических характеристик движения
шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные ортогонально-поворотные
движители;
- установлены законы управления приводами при движении машины в
матричной форме и разработаны алгоритмы управления режимами работы
приводов, обеспечивающие повышение манёвренности;
- получены новые экспериментальные данные, подтверждающие выявленные
закономерности и особенности работы приводов; на базе полномасштабного
опытного образца, экспериментально исследована динамика шагающей машины с
приводами содержащими сдвоенные ортогонально-поворотные движители.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный метод повышения манёвренности шагающих машин и расчёта режимов их работы, а также результаты экспериментов, позволяют на этапе разработки мобильных машин осуществлять оптимальный выбор параметров привода шагающего движителя.
Результаты работы использовались при разработке ТЗ на НИР "Разработка опытного образца шагающей машины со сдвоенными ортогональными движителями БТ-3144". Машина может использоваться при аварийно-спасательных работах, а также в экстремальных условиях как носитель различного технологического оборудования (манипулятор, экскаватор и др.).
Разработана конструкция и проведены испытания опытного образца шагающей машины со сдвоенными ортогональными движителями БТ-3144 «Ортоног». Созданный образец позволяет проводить отработку большого количества управляющих программ различного назначения практически без ограничений по механическим (кинематическим) параметрам машины.
Диссертация выполнена в рамках госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ на кафедре теоретической механики Волгоградского государственного технического университета.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на: -ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (2008...2012, Волгоград ВолгГТУ);
-7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), (2010, СПб);
междунар. науч.-техн. семинар. "Робототехника. Взгляд в будущее" (2010, СПб);
XXI междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2010, Москва).
IV Всерос. мультиконф. по пробл. упр. МКПУ-2011 (2011, Геленджик);
междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2011, СПб).
междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2012, СПб).
5 Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 4 в периодических изданиях по списку ВАК РФ. Работа выполнена при поддержке РФФИ и Минобрнауки России. Результаты работы нашли отражение в 5-ти научно-исследовательских отчётах, имеющих государственную регистрацию. На разработанную шагающую машину зарегистрирована заявка на патент.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 126 с, в тексте содержится 6 таблиц и 83 рисунка. Список литературы из 115 наименований представлен на 118 с.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Кинематическая схема шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные ортогонально-поворотные движители, в которых в качестве исполнительного механизма используются линейные сервомоторы с ролико-винтовыми парами, обеспечивающие повышение манёвренности шагающих машин.
-
Матричное описание законов управления режимами работы приводов, обеспечивающих реализацию различных видов движения машины.
3. Метод расчёта кинематических, динамических и энергетических
характеристик движения шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные
ортогонально-поворотные движители.
-
Алгоритм циклового перемещения опоры шагающей машины и система управления режимами работы приводов, обеспечивающие повышение манёвренности шагающих машин при поступательном движении за счёт согласованной работы трёх независимых приводов в составе сдвоенного ортогонально-поворотного движителя.
-
Экспериментально установленные закономерности работы приводов на примере шагающей машины «Ортоног».
