Разработка методов снижения энергозатрат в приводах робота с ортогональным движителем Гаврилов, Андрей Евгеньевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Постоянное расширение области применения мобильных роботов привело к появлению разнообразных конструкций таких машин. Подавляющее большинство мобильных роботов имеют колёсный или гусеничный движитель с различными приводными механизмами, однако, имеют место такие эксплуатационные ситуации, когда использование подобных движителей невозможно, либо требует предварительной подготовки трассы. Создание нетрадиционных типов движителей обусловлено необходимостью повышения проходимости и расширения зон достижимости мобильных роботов. Применение шагающих движителей позволяет повысить проходимость робота, комфортабельно перемещаться по неровной поверхности, внутри помещений, по лестничным маршам, совершать маневрирование в ограниченном пространстве, а также снизить разрушающее воздействие на верхний плодородный слой почвы. Перспективы применения мобильных роботов, использующих шагающий способ перемещения, определяются, в том числе, их энергетической эффективностью. Так шагающий ортогональный движитель, в отличие от большинства кинематических схем шагающих движителей, при перемещении не затрачивает работу на поддержание собственного веса. Кроме того, такая кинематическая схема шагающего движителя менее требовательна к системе управления.

Предполагается использовать роботы с ортогональным движителем в качестве роботов предназначенных для мониторинга окружающей среды в случаях, когда выполнение таких операций людьми связано с нахождением в условиях, опасных для жизни и здоровья. В настоящее время шагающие движители недостаточно изучены, поэтому не получили широкого распространения. Анализ существующих образцов шагающих роботов, показывает, что трудности, связанные с распространением и внедрением мобильных роботов с ортогональными шагающими движителями, обусловлены значительными потерями энергии на преодоление сил трения в приводах механизмов шагания. В этом случае актуально исследование способов снижения энергозатрат в приводах шагающего робота. Возможны различные методы снижения уровня непроизводительных энергозатрат применительно к роботу с шагающим ортогональным движителем.

Работа посвящена изучению особенностей эксплуатации и разработке методов снижения непроизводительных затрат энергии в приводах мобильного робота с шагающим ортогональным движителем.

Диссертация выполнена в рамках исследования по проекту РФФИ №0908-00802.

Объект исследования.

Объектом диссертационного исследования является разработанный в ВолгГТУ, мобильный робот с шагающим ортогональным движителем «УмНик» (рис.1).

Цель и основные задачи.

Цель - исследование динамических и энергетических характеристик приводов мобильного робота с шагающим ортогональным движителем и

разработка методов снижения энергозатрат на его перемещение.

В рамках достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка алгоритмов программных перемещений робота с шагающим ортогональным движителем.

2. Исследование динамических процессов, влияющих на непроизводительные потери энергии в приводах механизма шагания при движении робота.

3. Разработка метода снижения непроизводительных затрат энергии на перемещение робота с ортогональным движителем с помощью введения в конструкцию механизма шагания упругих элементов.

4. Синтез оптимального закона программного перемещения звеньев механизма шагания.

5. Разработка методики оценки эффективности применения оптимального закона программного перемещения, в зависимости от параметров динамических процессов.

Рисунок 1 - Мобильный робот с шагающим ортогональным движителем «УмНик». 1 - верхняя рама, 2 - нижняя рама, 3 - корпус, 4- опорные стойки.

Методы исследования. В ходе исследования использовались методы теоретической механики, теории механизмов и машин, теории управления электроприводом и теории оптимального управления движением электромеханических систем. Применялись современные средства вычислительной техники.

Результаты теоретических исследований сопоставлялись с экспериментальными исследованиями опытного образца мобильного робота «УмНик».

Научная новизна.

Разработаны алгоритмы программных перемещений мобильного робота с шагающим ортогональным движителем в режиме прямолинейного движения робота. Наряду с дискретными алгоритмами, возможен алгоритм перемещения, при реализации которого перемещение корпуса робота в системе координат, связанной с опорной поверхностью, происходит непрерывно с заданной скоростью.

На основе изучения динамических процессов в приводах курсового перемещения, определена структура энергозатрат на перемещение робота с ортогональным шагающим движителем. Мощность, необходимая для перемещения робота, в значительной степени, определяется дискретно-линейной зависимостью сил трения скольжения в приводах курсового перемещения.

Разработана оригинальная конструкция движителя робота, содержащая механизм разгружения кинематической пары скольжения от момента силы тяжести, позволяющая снизить энергозатраты на перемещение робота (патент на изобретение №2435693, патент на полезную модель №84707).

Решена вариационная задача нахождения оптимального закона программного перемещения звеньев механизма шагания робота. Установлена зависимость эффективности применения оптимального закона от параметров сил трения.

Положения выносимые на защиту:

5. 1. Алгоритмы перемещения робота с шагающим ортогональным движителем в режиме прямолинейного движения.

   2. Структура энергозатрат при перемещении мобильного робота с шагающим ортогональным движителем «УмНик».

   3. Метод снижения непроизводительных затрат энергии в приводах мобильного шагающего робота с ортогональным движителем, с помощью введения в конструкцию механизма шагания робота упругих разгружающих элементов.

   4. Методика синтеза оптимального закона программного перемещения звеньев механизма шагания робота исходя из условия минимума критерия определяющего потери на тепловыделение в обмотках приводного электродвигателя.

   5. Методика оценки эффективности применения оптимального закона программного движения звеньев механизма шагания робота.

   Практическая значимость результатов исследования.

   Алгоритмы программного прямолинейного перемещения робота - с периодическими остановками корпуса при смене опорных стоп, алгоритм перемещения робота при котором корпус робота движется прямолинейно с заданной скоростью, а также алгоритм движения робота при маневрировании, могут быть использованы для синтеза систем управления автономными мобильными роботами, использующими для перемещения шагающие ортогональные движители.

   При проектировании шагающих ортогональных движителей необходимо учитывать, что значительное влияние, которое трение скольжения оказывает на динамические параметры модулей горизонтального перемещения робота, обусловлено тем, что звенья модулей находятся под действием внешних сил, линии действия которых, проходят вне конструктивных границ кинематических пар, из-за чего резко возрастают нормальные силы реакции в паре скольжения.

   Разработан метод снижения энергозатрат на курсовое перемещение робота с использованием в конструкции робота упругих элементов. Подобные конструкции могут быть использованы в модулях линейного перемещения различного типа и назначения для снижения потребления энергии без потери производительности.

   Применение полученного оптимального закона перемещения в системах управления движением линейных приводов позволяет получить выигрыш в энергозатратах на перемещение до 40%, в зависимости от параметров сил сопротивления движению.

   Полученные общие закономерности, методы и способы, а также результаты экспериментальных исследований, могут быть использованы при разработке новых технических решений и создании новых мобильных роботов различного класса и назначения.

   Апробация работы.

   Для выяснения степени новизны и оригинальности методов и подходов, использованных в ходе выполнения исследования, результаты исследований обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях:

   1. Международная научно-техническая конференция «Искусственный интеллект» (ИИ-2008), пос. Кацивели (АР Крым, Украина), 22-27 сентября 2008 г.

   2. «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2008): 5 научно-техническая конференция в рамках 2 всероссийской. мультиконференции по проблемам управления», Санкт-Петербург, 1416 октября2008 г.

   3. Научная школа - конференция (с международным участием) «Мобильные роботы», МГУ-МГУПИ, май 2009 г.

   4. Международная научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника. Нано-, микро- и макророботы» (ЭР- 2009), 28 сентября- 3 октября 2009, с. Дивноморское, Краснодарский край.

   5. Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем - 2009» (ПТСС-2009), Волгоград, 13-15 октября 2009 г.

   6. Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы защиты и безопасности. Экстремальная робототехника» Санкт-Петербург, 1-3 апреля 2009 г.

   7. Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Экстремальная робототехника», 12-14 октября 2010 г. Санкт-Петербург, Государственный политехнический университет, ЦНИИ робототехники и технической кибернетики.

   8. 7-я научно-техническая конференция "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимая в рамках 3-й мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2010), 12-14 октября 2010 г.

   Публикации.

   Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, из них 4 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, 2 в иностранных изданиях, получено 2 патента на полезные модели и 1 патент на изобретение.

   Структура и объем работы.

   Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация содержит 142 листов машинописного текста. Список литературы содержит 130 наименований, представлен на 13 страницах.

   Похожие диссертации на Разработка методов снижения энергозатрат в приводах робота с ортогональным движителем

   

   Выбор рациональных конструктивных параметров для проектирования пневмомеханических приводов мобильных роботовКалиниченко Сергей Владимирович

   

   Разработка методов расчёта манипулятора-трипода на поворотном основанииДяшкин-Титов Виктор Владимирович

   

   Определение механических потерь и разработка методов расчета храповых механизмов свободного хода блочного типа общего назначенияШенкман Людмила Владиславовна

   

   Разработка методов расчета упорных и радиальных подшипников скольжения, смазываемых расплавом при наличии пористых слоев на их сопряженных поверхностяхКопотун Елена Александровна

   

   Разработка методов оценки технического состояния трубопроводных систем компрессорных установокТрутаев Станислав Юрьевич

   

   Разработка методов повышения ресурса шестеренных насосов гидротопливных системАистов Игорь Петрович

   Разработка метода определения конструктивных параметров, обеспечивающих самоторможение клиновых механизмов свободного ходаГончаров, Антон Александрович

   

   Разработка метода расчета параметров, характеризующих нагруженность подшипников многоопорных коленчатых валов поршневых машин Ветров Михаил Кузьмич

   

   Разработка метода гидродинамического и теплового расчета сложнонагруженных опор скольжения с источниками смазки на поверхностях шипа и подшипника Анисимов Виктор Николаевич

   Разработка метода расчета неосесимметричных сферических гидродинамических подшипников тяжелых машин Киселев Александр Григорьевич